Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt die automatische Steuerung einer Reisraffinerieanlage mithilfe der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) SZ-4m der Guangyang Electronics Co., Ltd. und stellt die Hardwarekonfiguration und das Softwaredesign des gesamten Steuerungssystems vor. Schlüsselwörter: Automatisierung der Reisverarbeitung I. Einleitung Die Hunan Tianlong Rice Industry Co., Ltd. befindet sich in Wenmingpu, Qiyang County, Yongzhou, Provinz Hunan. Das Unternehmen verfügt über ein Anlagevermögen von 15 Millionen Yuan und erstreckt sich über eine Fläche von 25.000 Quadratmetern, wovon 11.000 Quadratmeter Gebäudefläche sind. Es betreibt zwei Produktionslinien für raffinierten Reis mit einer Kapazität von 30.000 bzw. 20.000 Tonnen pro Jahr sowie eine Produktionslinie für rohes Reiskleieöl mit einer Kapazität von 500 Tonnen pro Jahr. Im Jahr 2001 verarbeitete das Unternehmen 38.000 Tonnen Reis und erzielte einen Umsatz von 56 Millionen Yuan. Im Jahr 2002 verarbeitete das Unternehmen 45.000 Tonnen Reis und erzielte einen Umsatz von 65 Millionen Yuan. Es ist derzeit das größte und hochwertigste private Getreideverarbeitungsunternehmen in der Provinz Hunan. Um die Marktnachfrage nach hochwertigem, raffiniertem Reis zu decken, entschied sich das Unternehmen 2002 für die Transformation traditioneller Industriezweige durch fortschrittliche Technologien und errichtete eine neue Produktionslinie für hochwertigen, raffinierten Reis mit einer Jahreskapazität von 30.000 Tonnen. Neben der Auswahl neuer Anlagen namhafter inländischer Getreidemaschinenhersteller umfasst die Prozessausrüstung auch Poliermaschinen, Sortiermaschinen, Farbsortierer und Verpackungsmaschinen aus Japan, den USA und Deutschland. Das Produktionsleitsystem nutzt international fortschrittliche speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) und Touchscreen-Bedienoberflächen für eine automatisierte Produktionssteuerung. Die Anlage wurde am 20. Dezember 2002 in Betrieb genommen. II. Automatisches Überwachungs- und Managementsystem 2.1 Systemzusammensetzung Das automatische Überwachungs- und Managementsystem besteht aus einem Computer, einem Touchscreen, einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), Sensoren und einer Motorsteuerzentrale (MCC). Die Hardwarekonfiguration des Überwachungssystems ist in der Abbildung dargestellt. 2.2 Steuerungsmethoden Die Systemsteuerung ist gemäß den Prinzipien Sicherheit, Zuverlässigkeit, Benutzerfreundlichkeit und Einfachheit in drei Ebenen unterteilt: 2.2.1 Vor-Ort-Steuerung: Jedes Gerät ist mit einem lokalen Schalter mit drei Positionen ausgestattet: a. Manuelle Steuerung: In dieser Position gibt die zentrale Steuerzentrale die Steuerung des Geräts ab, und der Bediener kann das Gerät direkt an der Maschine starten. Diese Position wird hauptsächlich für die Einzelmaschinen-Inbetriebnahme verwendet. b. Stopp: In dieser Position wird das Gerät weder von der zentralen Steuerzentrale gesteuert noch kann es manuell gestartet werden. Diese Position wird hauptsächlich während der Wartung des Geräts verwendet. c. Automatische Steuerung: In dieser Position wird das Gerät automatisch von der zentralen Steuerzentrale gesteuert. 2.2.2 Automatische Steuerung durch die zentrale Steuerzentrale: Diese Funktion ist die gängigste Steuerungsmethode des Systems. Die Steuerung des Produktionsprozesses erfolgt automatisch über die Bedienerstation und die SPS-Steuerung. 2.2.3 Auf der Touchscreen-Oberfläche befindet sich eine Schaltfläche zum Umschalten zwischen Automatik- und manuellem Betrieb. Im manuellen Modus wird ein Gerät durch einfaches Berühren gestartet. Diese Funktion dient hauptsächlich der Systeminbetriebnahme. 2.3 Produktionsbedienschnittstelle Die Produktionsbedienschnittstelle vor Ort verwendet den japanischen 12,1-Zoll-Farb-Touchscreen Pro-face GP2000. Sie ist für die Mensch-Maschine-Schnittstelle im Zusammenhang mit dem Betrieb vor Ort zuständig und ermöglicht es den Bedienern, den Betriebsstatus, die aktuellen Werte verschiedener Produktionsdaten und eventuell aufgetretene Fehlermeldungen in Echtzeit über den Touchscreen einzusehen sowie den Produktionsprozess zu steuern und anzupassen. Die Hauptfunktionen des Touchscreens sind: a) Dynamische Simulation und Anzeige verschiedener Prozessabläufe, Produktionsberichte und Produktionsdaten; b) Jeder Bildschirm ist mit Bedientasten ausgestattet, wie z. B. Bildschirmumschalttasten, Start-/Stopp-Tasten für den Produktionsprozess, Alarmtasten und Not-Aus-Tasten. c) Ereignisalarm: Bei Produktionsstörungen wird automatisch ein Alarm ausgelöst und die Fehlerart als Text angezeigt. Gleichzeitig wechselt der Bildschirm automatisch zur Prozessansicht, in der der Fehler aufgetreten ist. d) Der Bildschirm simuliert eine Animation beim Übergang vom Stillstand in den Betrieb. e) Zugriffskontrolle: Der Touchscreen kann erst nach Eingabe des korrekten Anmeldepassworts durch den Bediener beim Start in den Betriebszustand wechseln. f) Drucken von Schicht- und Monatsberichten. Der Touchscreen ist über ein Kabel mit dem zweiten Kommunikationsanschluss der SZ-4m verbunden. Die maximale Kommunikationsreichweite beträgt 30 Meter. 2.4 Überwachungsrechner: Der Überwachungsrechner ist über einen R232/R485-Adapter und ein verdrilltes Zweidrahtkabel mit dem ersten Kommunikationsanschluss der SZ-4m verbunden. Die maximale Kommunikationsreichweite beträgt 1400 Meter. Die verwendete Software ist KingSCADA 5.01. Der Überwachungsrechner umfasst alle Funktionen des Touchscreens und dient zusätzlich als Engineering-Workstation zur Änderung und Konfiguration des SPS-Programms (Speicherprogrammierbare Steuerung). Um den Managementanforderungen gerecht zu werden und die Ressourcenvorteile von Computern optimal zu nutzen, richtet das System zwei Datenbanken auf dem Überwachungsrechner ein: a) Produktionsdatenbank: (Ausstoß, Ertrag, Produktionsrate, Stromverbrauch, Stromverbrauch pro Tonne Getreide, Durchflussrate). b) Datenbank für Anlagenfehler: (Anlagenüberlastung, Überlauf, Stillstand, leeres Silo, volles Silo, Fehlerbehebung). Produktionsdaten und Anlagenfehler der untergeordneten SPS werden in Echtzeit erfasst und in der Datenbank des Überwachungsrechners gespeichert. Der Überwachungsrechner ermöglicht die einfache Abfrage von Produktionsdaten für ein bestimmtes Jahr, einen bestimmten Monat, eine bestimmte Stunde und Sekunde sowie den Zeitpunkt des Auftretens und der Behebung von Fehlern und kann verschiedene Produktionsberichte zum Ausdrucken generieren. Der Überwachungsrechner kann zur Fernüberwachung und als redundante Lösung für Touchscreens vor Ort verwendet werden. Er kann zur Datenfreigabe mit dem lokalen Netzwerk der Anlage verbunden werden. 2.5 Die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) wird entsprechend der Anzahl der Prozessanlagen und Sensoren in der Produktionslinie für hochwertigen raffinierten Reis konfiguriert. Die SPS-Konfiguration ist in der Abbildung dargestellt. Die Haupt-SPS ist eine japanische Koyo SZ-4m mit 64 Eingängen und 48 Ausgängen. Sie ist mit einem 8-Kanal-A/D-Wandler ausgestattet, der analoge Signale vom elektronischen Durchflussmesser erfasst. Ein Fernkommunikationsmodul überträgt Schaltsignale und Daten von der Haupt-SPS SZ-4m an die sekundäre SPS SZ4. Die sekundäre SPS SZ-4 verfügt über 60 Ausgänge und stellt primär Schaltsignale und Daten für einen 1400 mm × 2400 mm großen Analogbildschirm im Bürogebäude bereit. Dies ermöglicht die großflächige Anzeige des Produktionsstatus. 2.6 Steuerungsfunktionen 2.6.1 Prozessstart Der Prozessstart ist in Abschnitte unterteilt (Reisschälen, Reismahlen, Polieren). Jeder Abschnitt kann gemäß dem Prozessablauf automatisch verriegelt und unabhängig gestartet werden oder automatisch verriegelt und vom Ende des Abschnitts aus gestartet werden. Innerhalb jedes Abschnitts beginnt der automatische, verriegelte Anlauf des Prozessablaufs mit dem jeweiligen Luftkompressor und dem Belüftungs-/Entstaubungssystem, gefolgt vom sequenziellen Anlauf der einzelnen Prozessgeräte gemäß der Rücklaufverzögerung. Die Reismühle der Tianlong Rice Industry Company ist mit insgesamt fünf Reismühlen ausgestattet, darunter drei Sandwalzen- und zwei Eisenwalzen-Reismühlen. In diesem Abschnitt gibt es zwei Kombinationen: a) Lokaler Reisverarbeitungsablauf: Elevator 4 → Braunreissieb → Durchflussmesser → Elevator 5 → Sandwalzenmühle 1 → Sandwalzenmühle 2 → Sandwalzenmühle 3 → Elevator 6 b) Nordost-Reisverarbeitungsablauf: Schichtmaschine → Elevator 4 → Braunreissieb → Sandwalzenmühle 1 → Durchflussmesser → E5 → Eisenwalzenmühle 1.2 → E6. Um die dynamische Kombination der Verarbeitungsabläufe für verschiedene Rohstoffe zu ermöglichen, haben wir auf dem Hauptbildschirm eine Schaltfläche zur Rohstoffauswahl konfiguriert. Diese Schaltfläche steuert den verriegelten Start und Stopp der Anlage und ist dynamisch mit dem Touchscreen und dem Monitor verbunden. Nach dem Einschalten der SPS ist standardmäßig die Verarbeitung von lokalem Reis eingestellt, und die Anlage startet entsprechend dem lokalen Reisverarbeitungsablauf. Der Touchscreen und der Monitor zeigen den lokalen Reisverarbeitungsablauf an. Soll Reis aus Nordostindien verarbeitet werden, startet die Anlage nach dem Aufrufen des Bildschirms durch Drücken der entsprechenden Taste (die Tasten für lokale und nordostindische Reissorten sind miteinander verbunden) den Verarbeitungsprozess für nordostindischen Reis. Der Touchscreen und der Überwachungscomputer zeigen den Verarbeitungsprozess ebenfalls an. 2.6.2 Prozessstopp: Der Prozess kann auf drei Arten gestoppt werden: a) Normaler Stopp: Zuerst werden alle pneumatischen Auswurfklappen geschlossen. Anschließend werden die einzelnen Maschinen in Fließrichtung nacheinander mit einer Verzögerung automatisch verriegelt und gestoppt. Zuletzt wird die Entstaubungsanlage gestoppt. b) Störungsstopp: Erkennt die Steuereinheit eine Störung an der Anlage, z. B. Überlastung oder Stillstand, schließt sich die pneumatische Auswurfklappe des betroffenen Abschnitts sofort. Kann die Störung nicht innerhalb von 3 Minuten behoben werden, werden die übrigen Anlagen in diesem Abschnitt gestoppt. c) Notstopp: Im Notfall können alle laufenden Anlagen über die Not-Aus-Taste auf der Bedienoberfläche sofort gestoppt werden, um die Sicherheit des Systems und des Personals zu gewährleisten. 2.6.3 Verriegelung des Füllstandsmessers mit dem Prozessablauf Der normale Betriebszustand von Schwerkraftentsteinern, Reishülsenmaschinen und Schwerkraftsieben erfordert einen geeigneten Materialdurchsatz. Dieser wird durch die Einstellung des Füllstandsmessers und das Öffnen der pneumatischen Türen erreicht. Sobald der Füllstandsmesser im Aufgabetrichter dieser Geräte aktiviert wird, stoppen diese Geräte ihren Betrieb, während andere Prozessanlagen weiterlaufen. Sobald das Material die erforderliche Höhe erreicht hat, werden diese Geräte wieder in Betrieb genommen. In einem bestimmten Produktionsabschnitt schließt sich die Auslassklappe sofort, wenn ein Silo voll ist (oder eine Anlage überlastet ist), während der Prozess weiterläuft. Hält dieser Zustand 3 Minuten an, stoppt die Anlage in diesem Abschnitt ihren Betrieb. Wird das Signal für das volle Silo innerhalb von 3 Minuten aufgehoben (oder kehrt die überlastete Anlage in den Normalbetrieb zurück), öffnet sich die Auslassklappe wieder und die Anlage nimmt die normale Produktion wieder auf. Da die verschiedenen Produktionsabschnitte einer Reismühle im Wesentlichen in Reihe geschaltet sind, wird dieses Steuerungskonzept intelligent im gesamten Prozess angewendet und an die jeweiligen Gegebenheiten angepasst. 2.6.4 Produktionsdatenerfassung: Das System verwendet zwei HMP-22W-Durchflussmesser und zwei DTM864-2-Impulsstromzähler, um Signale an den A/D-Wandler bzw. das Eingangsmodul der SPS zu senden. Anschließend werden die analogen und Impulswerte durch Programmierung in digitale Echtzeitwerte umgewandelt. Folgende Produktionsdaten werden durch kumulative Integration gewonnen: Durchsatz von Paddyreis (kg/h), Durchsatz von Braunreis (kg/h), Braunreisertrag (%), Paddyreisertrag pro Schicht (Tonnen), Braunreisertrag pro Schicht (Tonnen), monatlicher Paddyreisertrag (Tonnen), monatlicher Braunreisertrag (Tonnen), Stromverbrauch pro Schicht (kWh), Stromverbrauch pro Tonne Paddyreis (kWh/t), monatlicher Stromverbrauch (kWh). 2.6.5 Hochspannungssteuerung: Das Hochspannungssteuerungssystem besteht aus vier MCC-Schränken, einem lokalen Schalter, Kabeln und Kabelrinnen. Alle Niederspannungsgeräte sind Produkte von Schneider Electric. Geräte mit einer Leistung über 15 kWh werden mit Y/Δ-Anlaufspannung angesteuert. III. Fazit: Das Steuerungssystem wurde am 8. März 2003 am Produktionsstandort in Betrieb genommen. Der praktische Betrieb hat gezeigt, dass das System sich durch ein durchdachtes Design, zuverlässigen Betrieb, eine benutzerfreundliche Oberfläche, einfache Bedienung, komfortable Überwachung und Datenaustausch auszeichnet. Der Systembetrieb hat die Arbeitsbelastung der Mitarbeiter deutlich reduziert und die Wirtschaftlichkeit sowie das Automatisierungsmanagement verbessert. Referenzen: 1) Programmierhandbuch für die speicherprogrammierbare Steuerung SZ-4 2) Programmierhandbuch für KingSCADA 5.01