Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt den Entwurf und die Implementierung eines Durchflussmesssystems für die Umleitungsschleusen des Gelben Flusses auf Basis der Siemens S7200 und erläutert detailliert die Hardwarestruktur und die SPS-Konfiguration des Systems. Schlüsselwörter: S7200, Umleitungsschleuse des Gelben Flusses, Durchflussmessung. 1. Einleitung: Die Durchflussmessung an den Umleitungsschleusen des Gelben Flusses ist von großer Bedeutung für die Ausbaggerung, die Wasserverteilung und die Erhebung von Wassergebühren in Bewässerungsgebieten. Daher verfügt jede Umleitungsschleuse im Unterlauf des Gelben Flusses über ein Durchflussmesssystem. Die meisten dieser Systeme werden jedoch manuell vor Ort bedient, und der Durchfluss wird manuell berechnet. Dieser Entwurf nutzt eine Siemens-SPS zur automatischen Steuerung und Durchflussberechnung auf dem Host-Rechner. 2. Zusammensetzung des Durchflussmesssystems Das automatisierte Durchflussmesssystem umfasst im Wesentlichen folgende Komponenten: Seilbahn, Seilbahnmotor, Durchflussmessgewicht, SPS-Steuerung und Durchflussmess-Videosystem. Der Zugmechanismus der Durchflussmesskammer und des Durchflussmessgewichts sind in Abbildung 1 dargestellt, der Systemaufbau in Abbildung 2. 3. Design des Durchflussmesssystems 3.1 Signalerfassung 1) Hubimpulssignal: Dieses Signal dient hauptsächlich zur Erfassung der horizontalen und vertikalen Laufstrecke des Durchflussmessgewichts. Aus dieser Strecke werden die Flussbreite und die Wassertiefe berechnet. Hierzu werden horizontale und vertikale Drehgeber an der Antriebswelle des Stahlseils des Zugmessgewichts angebracht. Die Strecke wird durch Zählen der Geberimpulse gemessen. 2) Oberflächen- und Bodensignale sowie Strömungsgeschwindigkeitssignale: Die Messung von Oberflächen- und Bodensignalen sowie Strömungsgeschwindigkeitssignalen erfordert spezielle Verfahren. Diese Signale werden über das Durchflussmessgewicht erfasst. Am Boden des Gewichts ist eine Bodenkontaktplatte angebracht. Das Gewicht sendet Impulssignale aus, sobald es die Wasseroberfläche oder den Flussgrund berührt. Am Kopf des Bleigewichts ist ein Geschwindigkeitsmesser angebracht. Sobald das Bleigewicht ins Wasser eintaucht, dreht sich der Geschwindigkeitsmesser und sendet Impulssignale aus. Das strommessende Bleigewicht bewegt sich entlang der Stahlseilführung. Um Signale zu erhalten, ohne das Signalkabel mitzuziehen, wird folgendes Verfahren angewendet: Zwei Trockenbatterien sind vertikal entlang der Stahlseilführung am Bleigewicht befestigt. Das positive Signal wird an die Stahlseilführung angeschlossen, der Reihenanschlusspunkt ist mit dem Bleigewicht verbunden, das anschließend über einen Impulsschalter ins Wasser gelangt. Sobald die SPS mit diesem Signal verbunden ist, wird ein Signal aus dem Wasser und das andere vom Motorsockel (an dem die Stahlseilführung befestigt ist) ausgegeben. Die beiden Signale können in entgegengesetzter Richtung verbunden werden, um die Strömungsgeschwindigkeit bzw. die Wasseroberfläche/den Wassergrund zu erfassen. Da die beiden Signale von einer einzigen Signalleitung kommen und sich nur durch Plus und Minus unterscheiden, wird ein Optokoppler zur Signalumwandlung und -trennung verwendet, um die Verbindung zur SPS zu ermöglichen. Der Optokopplerausgang ist, wie in Abbildung 3 dargestellt, mit den COM- und Signalanschlüssen der SPS verbunden. 3) Messung der Wassertiefe und der Strömungsgeschwindigkeit: Während des Absinkens des Bleigewichts startet der Zähler für die Tiefenimpulse (d. h. die vom Vertikalmotor erzeugten Impulse), sobald die SPS das erste Signal für die Wasseroberfläche/den Meeresboden empfängt. Beim Empfang des zweiten Signals stoppt der Zähler, und die Impulsanzahl wird zur Verarbeitung und Umrechnung in den tatsächlichen Tiefenwert an den Host-Computer übertragen. Während der Messung wird zunächst die Tiefe am Messpunkt erfasst und der Messwert auf dem Host-Computer angezeigt. Bei einer Tiefe von weniger als 1,5 m kann der Bediener das Bleigewicht bei ca. 60 % des Tiefenwertes stoppen, um die Strömungsgeschwindigkeit beim Aufsteigen zu messen. Bei einer Tiefe von mehr als 1,5 m kann der Bediener das Bleigewicht bei ca. 20 % und 80 % des Tiefenwertes stoppen, um die Strömungsgeschwindigkeit beim Aufsteigen zu messen. Das Strömungsgeschwindigkeitssignal wird von einem Propeller am Ende des Bleigewichts erzeugt. Dieser Propeller sendet alle 20 Umdrehungen einen Impuls an die SPS. Sobald das Bleigewicht am Messpunkt anhält, beginnt der Drehzahlmesser in der SPS zu zählen und der Timer startet. Nach Abschluss der Drehzahlmessung, d. h. nach 100 Sekunden, stoppt der Drehzahlmesser. Wird die Messung an einem Punkt durchgeführt, entspricht die Anzahl der erfassten Impulse dem Impulszähler für diesen Punkt. Bei Messungen an zwei Punkten entspricht der Impulszähler dem arithmetischen Mittel der beiden Impulszähler. Bei einer gültigen Drehzahlmessung wird der erfasste Impulszähler in der SPS gespeichert. Bei einer nicht gültigen Drehzahlmessung, d. h. wenn die Messzeit weniger als 100 Sekunden beträgt oder wenn zwei Messpunkte erforderlich sind, aber nur einer gemessen wird, wird der Impulszähler nicht in der SPS gespeichert. Die im SPS gespeicherte Impulszahl wird in den tatsächlichen Durchflusswert umgerechnet und zur Verarbeitung und Anzeige an den Host-Computer gesendet. 3.2 SPS-Steuerungsdesign Dieses System besteht aus einer SIEMENS S7-200 SPS (CPU-Modell 226/AC/DC/Relais) und zwei SANKEN Frequenzumrichtern. Basierend auf dem Ausgangssignal der SPS steuern die Frequenzumrichter den Motor; die Ausgabebefehle der SPS werden vom Host-Computer bereitgestellt. Die Messdaten (Wassertiefe und Durchflussrate) werden jeweils an den Host-Computer übertragen. Der Host-Computer verarbeitet die erfassten Daten, um den Durchflusswert zu ermitteln. Die SPS-Ein-/Ausgangssignale bestehen aus 18 Eingangssignalen, die wie folgt zugeordnet sind: I0.0 Signal für horizontale Verschiebung (horizontaler Motorimpuls); I0.1 Signal für gemessene Wasseroberfläche/Grund/Fließgeschwindigkeit; I0.2 Signal für vertikale Verschiebung (vertikaler Motorimpuls); I0.5 Signal für ausgefallene Westkamera; I0.6 Signal für ausgefallene Ostkamera; I0.7 Signal für ausgefallene Mittelkamera; I1.0 Signal für ausgefallenes Bleigewicht; I1.5 Vorwärtstaste; I1.6 Abwärtstaste; I1.7 Aufwärtstaste; I2.0 Rückwärtstaste; I2.1 Horizontale Stopptaste; I2.2 Vertikale Stopptaste; I2.3 Feld-/Host-Computer-Umschalter; I2.4 Totalstopptaste; I2.5 Fehlersignal für horizontalen Umrichter; I2.6 Fehlersignal für vertikalen Umrichter. Die Ausgangssignale bestehen aus 14 Signalen, unterteilt in 3 Gruppen. Gruppe 1: Q0.0 bis Q0.3. Diese vier Ausgänge sind mit vier 24-V-DC-Relais (C1 bis C4) verbunden. Die normalerweise offenen Kontakte der Relais sind mit dem Frequenzumrichter verbunden, um die Vorwärts- und Rückwärtsdrehung der beiden Motoren zu realisieren. Die Relaiskontakte sind außerdem mit den Statusanzeigen für die Motorbewegung am Bedienfeld verbunden (vorwärts, rückwärts, aufwärts, abwärts). Gruppe 2: Q0.4 bis Q0.7. Q0.4 und Q0.5 sind mit zwei Statusanzeigen verbunden: eine für die Feld-/Host-Computer-Umschaltung und die andere für den Totalstopp. Q0.6 und Q0.7 sind mit zwei 220-V-Wechselstromrelais (C5 und C6) verbunden. Die Kontakte dieser Relais sind wiederum mit Alarmanzeigen (mit Summer) verbunden. Gruppe 3: Q1.1 bis Q1.6. Diese passiven Kontakte sind direkt mit dem Frequenzumrichter zur Motordrehzahlregelung verbunden. Die Verteilung der Ausgangssignale ist wie folgt: Q0.0 Vorwärts; Q0.1 Rückwärts; Q0.2 Aufwärts; Q0.3 Abwärts; Q0.4 Lokale/Host-Computer-Anzeigeleuchte; Q0.5 Totalstopp-Anzeigeleuchte; Q0.6 Externe Alarmanzeigenleuchten; Q0.7 Wechselrichter-Alarmanzeigenleuchte; Q1.1 Horizontale Höchstdrehzahl des Wechselrichters; Q1.2 Horizontale mittlere Drehzahl des Wechselrichters; Q1.3 Horizontale Niedrigdrehzahl des Wechselrichters; Q1.4 Vertikale Höchstdrehzahl des Wechselrichters; Q1.5 Vertikale mittlere Drehzahl des Wechselrichters; Q1.6 Vertikale Niedrigdrehzahl des Wechselrichters. 4. Host-Computer: Der Host-Computer verwendet SIMATIC WinCC als SCADA-Software und kommuniziert mit dem S7200 zur automatischen Durchflussmessung und -steuerung. Der Host-Computer ist zudem mit einer Videoüberwachungssoftware ausgestattet, um den Betrieb der Durchflussmessgeräte zu überwachen. 5. Fazit: Nach der Inbetriebnahme erwies sich das System als stabil und zuverlässig. Es ermöglichte nicht nur die automatische Durchflussmessung im Kontrollraum und verbesserte so die Messgenauigkeit, sondern reduzierte auch den Arbeitsaufwand und die Belastung des Personals erheblich. Die Ergebnisse der letzten drei Jahre sind signifikant und machen das System zu einem idealen Durchflussmess- und -steuerungssystem für das Umleitungswehr des Gelben Flusses. Referenzen: [1] Yang Xianhui, Fieldbus Technology and Its Application, Tsinghua University Press, 1999.6 [2] SIEMENS STEP7 MicroWin32 Programming Manual [3] SIEMENS WINCC Configuration Manual (1-6) Erstautor Zhao Yongguo, männlich, schloss 2001 sein Masterstudium der Ingenieurwissenschaften an der Fakultät für Regelungstechnik der Shandong-Universität ab und ist derzeit Doktorand an der Shandong-Universität. Seine Forschungsschwerpunkte sind robuste und prädiktive Regelung von DCS-Feldbussen. Kontaktinformationen des Autors: Name: Zhao Yongguo Adresse: Raum 102, 4. Lehrgebäude, Südcampus, Shandong-Universität, Jingshi-Straße 73, Jinan, Provinz Shandong, China Postleitzahl: 25006 Tel.: +86 13156143966 E-Mail: [email protected]