1. Einleitung. In den letzten Jahren hat die Fabrikautomatisierung in meinem Land dank der verbesserten Automatisierungstechnik ein neues Niveau erreicht. Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), die seit den 1980er Jahren entwickelt wurden, sind ein Produkt der Kombination von Automatisierungs-, Computer- und Kommunikationstechnologien. Sie sind Feldgeräte, die speziell für die Steuerung industrieller Produktionsprozesse konzipiert wurden. SPS bieten einzigartige Vorteile wie geringe Größe, umfassende Funktionen, niedrigen Preis und hohe Zuverlässigkeit und finden daher in verschiedenen Bereichen breite Anwendung. Das Wasserkraftwerk Hongmen ist ein älteres Kraftwerk, das seit über 30 Jahren in Betrieb ist. Die ursprüngliche Automatisierungsanlage genügte den Anforderungen an einen sicheren Betrieb nicht mehr. Der Überlauf ist eines der wichtigsten hydraulischen Bauwerke des Wasserkraftwerks, daher ist der tägliche Betrieb und die Instandhaltung dieser Anlage von besonderer Bedeutung. Die Modernisierung und Erneuerung des automatischen Pumpsystems im Entwässerungskorridor des Tosbeckens dient genau diesem Zweck. Unter Berücksichtigung der natürlichen Umwelteinflüsse von Wasserbauwerken und dem Grundsatz, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit zu priorisieren, haben wir SPS-Systeme von Herstellern wie AB, GE, Mitsubishi, OMRON, MODICON und SIEMENS umfassend verglichen und ausgewählt. Letztendlich fiel unsere Wahl auf Mitsubishi-Produkte, da diese neben den bereits genannten Vorteilen wartungsfreundlich und intuitiv bedienbar sind. Die eingesetzte SPS ist eine Mitsubishi FX2N-48MR+2A/D+2D/A, die primär für die Erfassung der Wasserstandsdaten und die Steuerung des Starts/Stopps der Tauchpumpen zuständig ist. Zusätzlich wurde ein 5,7-Zoll-Touchscreen von Mitsubishi ausgewählt, der hauptsächlich für die Anzeige und Änderung von Parametern sowie die Anzeige detaillierter Fehlerinformationen dient. 2. Systemstruktur Das Entwässerungssystem des Überlaufbeckens des Wasserkraftwerks Hongmen besteht aus drei Hauptkomponenten: ① Automatisches Entwässerungssystem des primären Wehrkorridors; ② Automatisches Entwässerungssystem des sekundären Wehrkorridors; ③ Mensch-Maschine-Schnittstelle. Das Hauptsteuerungssystem ist im Sekundärwehrkorridor installiert und besteht aus einem Wasserstandsmessumformer, einem Niveauschalter, einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), einem Schütz und einem Steuerschalter. Neben lokalen Steuerungsfunktionen ermöglicht es über einen entfernten LCD-Touchscreen auch die Wasserstandserfassung, Echtzeitanzeige, Sensorkalibrierung, Echtzeitsteuerung und Schutzfunktionen. Die erste Wehrstufe verfügt lediglich über Wasserstandsmessumformer und Schütze für die Pumpenanlaufeinrichtung. Der LCD-Touchscreen, auch bekannt als Mensch-Maschine-Schnittstelle, befindet sich im Büro des Wartungspersonals des Überlaufs, etwa 100 Meter vom Hauptsteuerzentrum entfernt. 3. Eigenschaften der einzelnen Komponenten 3.1 SPS Die SPS (FX2N-48MR) ist die zentrale Steuerungskomponente des gesamten Systems. Ihre umfangreichen und vollständigen Steuerungsbefehle, ihre hohe Leistungsfähigkeit und die einfache Programmierung und Inbetriebnahme vor Ort haben sie zu einem beliebten Steuergerät bei den Technikern vor Ort gemacht. Die wichtigsten Leistungsmerkmale sind: 24-Punkt-Eingang/24-Punkt-Relaisausgang, integrierter 8000-Schritt-RAM mit Speicherkassette und eine Verarbeitungsgeschwindigkeit von 1,52 µs bis zu mehreren hundert µs/Schritt (Anwendungsvorgabe). Die maximale Belastbarkeit der Ausgangskontakte beträgt 80 VA bzw. 100 kW, und die Lebensdauer der Ausgangskontakte liegt bei 20 VA/3 Millionen Zyklen, 35 VA/1 Million Zyklen und 80 VA/200.000 Zyklen. 3.2 Die Konvertermodule FX2N-2A/D und 2D/A dienen dazu, das 4–20-mA-Stromsignal des Wasserstandsmessumformers zu empfangen und in eine für das SPS-Programm verwendbare Dezimalzahl umzuwandeln. (Das heißt, die Umwandlung analoger Signale in numerische Signale.) Das FX2N-2D/A-Konvertermodul wandelt den von der SPS berechneten Steuergrößenwert in ein Spannungssignal von -10 V bis +10 V um. Dieses wird anschließend über eine RS485- oder RS422-Schnittstelle an ein Fernüberwachungssystem übertragen, um das analoge Stromsignal einzuspeisen. 3.3 Füllstandsmessumformer und Füllstandsschalter: Der Füllstandsmessumformer ist ein hochpräzises und zuverlässiges Produkt von American Microelectronics, Modell MPM426W. Der Füllstandsschalter ist ein Produkt von FanYi LTB aus Taiwan und sendet ein programmierbares Aktionssignal, sobald der Wasserstand den eingestellten Wert erreicht. 3.4 Touchscreen: Als neuartige Mensch-Maschine-Schnittstelle haben Touchscreens seit ihrer Einführung viel Aufmerksamkeit erregt. Ihre einfache Bedienung, ihre leistungsstarken Funktionen und ihre hohe Stabilität machen sie ideal für industrielle Umgebungen. Benutzer können Text, Schaltflächen, Grafiken, Zahlen usw. frei kombinieren, um Informationen zu verarbeiten, zu überwachen und zu verwalten, die sich jederzeit ändern können. Angesichts der rasanten Entwicklung industrieller Anlagen erfordern herkömmliche Bedienoberflächen qualifizierte Bediener, was die Effizienz nicht steigern kann. Die Verwendung einer Mensch-Maschine-Schnittstelle ermöglicht es, den Bediener über den aktuellen Status der Maschine zu informieren und so die Bedienung einfach und intuitiv zu gestalten. Ein Touchscreen standardisiert und vereinfacht zudem die Maschinenverdrahtung, reduziert die Anzahl der für die SPS-Steuerung benötigten E/A-Punkte, senkt die Produktionskosten und erhöht den Mehrwert der gesamten Anlage. Dieses System nutzt den Mitsubishi GOT930 Touchscreen, der mit Mitsubishi SPSen kompatibel ist, Online-Überwachung und Programmänderungen ermöglicht und das umständliche, wiederholte Ein- und Ausstecken von Schnittstellen überflüssig macht. 4. Hauptfunktionen des Systems 4.1 Es verfügt über drei Betriebsmodi: Automatik, Manuell und Aus. Die Umschaltung erfolgt manuell über einen Bedienhebel. 4.2 Im Automatikmodus wird die Tauchpumpe anhand des vom Füllstandsschalter (oder Füllstandsmessumformer) gelieferten Signals gestartet und gestoppt. Im manuellen Modus kann die Tauchpumpe direkt über den Bedienhebel gestartet und gestoppt werden. Im Aus-Modus ist der automatische und manuelle Betrieb deaktiviert. 4.3 Die Steuerung schaltet den Primär-/Standby-Status der Tauchpumpen automatisch in festgelegten Intervallen um und ermöglicht auch eine manuelle Umschaltung. 4.4 LEDs zeigen den Betriebszustand und Systemfehler an. 4.5 Ein LCD-Bildschirm dient zur Anzeige und Änderung von Parametern (z. B. Pumpenstart-/Stopp-Sollwerte für den Wasserstand, Pumpenschaltzeiten) sowie zur Anzeige detaillierter Fehlerinformationen. 4.6 Die Steuerung verfügt über eine Fehleralarmfunktion mit Alarmmeldungen zu folgenden Themen: Stromausfall, Pumpenausfall, Messumformerausfall, hoher Wasserstand, niedriger Wasserstand, SPS-Ausfall usw. 4.7 Die Steuerung verfügt über eine Selbsttestfunktion und eine hohe Fehlertoleranz. 4.8 Die Stromversorgung erfolgt über eine USV mit AC/DC-Eingängen. 4.9 Die Steuerung verfügt über eine Netzwerkfunktion zur Übertragung von Alarmsignalen und analogen Signalen an ein entferntes Computerüberwachungssystem. 5 Software-Design: Entsprechend den Steuerungsanforderungen des Entwässerungssystems für Überlaufbecken und Tosbecken wurde das Steuerungsprogramm mithilfe der umfangreichen Befehle der Mitsubishi-SPS erstellt. In Kombination mit den Prinzipien der Vor-Ort-Fehlerbehebung und Optimierung des Steuerungsprogramms verfügt dieses Steuerungssystem im Wesentlichen über die folgenden Steuerungsprogrammmodule: 5.1 Automatischer Entwässerungsprozess des sekundären Wehrkorridors 5.1.1 Befinden sich beide Wasserpumpen im Automatikmodus und erreicht der Pegelschalter die Position „Hochwasserstand“, startet die Hauptwasserpumpe. Erreicht der Pegelschalter die Position „Zu hoher Wasserstand“ oder „Sehr hoher Wasserstand“, startet zusätzlich die Reservewasserpumpe, und gleichzeitig wird ein Alarmsignal für „Zu hoher Wasserstand“ ausgegeben. 5.1.2 Sinkt der Pegelschalter unter die Position „Niedrigwasserstand“, schalten sich alle laufenden Wasserpumpen ab. Wird der Pegel „Niedrigwasserstand“ erkannt, schalten sich die Wasserpumpen ab, und es wird zusätzlich ein Alarmsignal für „Niedrigwasserstand“ ausgegeben. 5.1.3 Falls der Magnetschalter einer Wasserpumpe nicht innerhalb von 2 Sekunden nach dem Ansteuern durch die SPS aktiviert wird, wechselt der Haupt-/Standby-Status der Pumpe in den Standby-Status und es wird gleichzeitig ein Alarmsignal ausgegeben. 5.1.4 Das automatische Betriebsablaufdiagramm für die Sekundärtankpumpe ist in Anhang 1 dargestellt. [Abbildung 1: Automatisches Betriebsablaufdiagramm für die Sekundärtankpumpe] 5.2 Automatischer Betriebsablauf der Primärtankpumpe: Im Automatikmodus startet die Primärtankpumpe, sobald der Wasserstand im Primärtank die Position „Maximaler Wasserstand“ erreicht. Erreicht der Wasserstand die Position „Zu hoher Wasserstand“, startet die Pumpe und es wird gleichzeitig ein Alarmsignal ausgegeben. Erreicht der Wasserstand die Position „Niedriger Wasserstand“, stoppt die Primärtankpumpe. Erreicht der Wasserstand die Position „Zu niedriger Wasserstand“, stoppt die Primärtankpumpe ebenfalls und es wird gleichzeitig ein Alarmsignal ausgegeben. Abbildung 2 zeigt das automatische Betriebsablaufdiagramm der Primärpoolpumpen. 5.3 Gestaltung der Mensch-Maschine-Schnittstelle: Die Mensch-Maschine-Schnittstelle umfasst 16 Bildschirme, darunter Statusinformationen, Fehlerinformationen, Parametereinstellungen, Passwortänderung und Systemwartung. Die Statusinformationen zeigen den Wasserstand in den primären und sekundären Wehrkorridoren sowie den Betriebszustand der Tauchpumpen Nr. 1 und Nr. 2 im sekundären Wehrkorridor und der Pumpen im primären Wehrkorridor an. Die Fehlerinformationen zeigen die Ausfallzeit von Geräten oder Signalen wie Pumpen, Stromversorgungen, Thermorelais und Überschreitungen der Wasserstandsgrenzen an. Die Parameteränderung umfasst die Einstellung des Druckniveaus, der Eingangs- und Ausgangswasserstände sowie der Haupt-/Standby-Einstellungen. Der Touchscreen ist in Abbildung 6 dargestellt. Fazit: Das automatische Pumpensystem für den Entwässerungskorridor des Überlaufbeckens des Wasserkraftwerks Hongmen ist ein erfolgreiches Projekt, das eigenständig entwickelt, installiert und optimiert wurde. Es basiert auf der programmierbaren Technologie des automatischen Regelsystems für Öldruck und Ölstand im Regler des Kraftwerks. Das automatische Pumpsystem für den Entwässerungskorridor des Überlaufbeckens gewann im selben Jahr den ersten Preis im Wettbewerb „Rationalisierungsvorschlag“ des Kraftwerks. Seit seiner Modernisierung im Jahr 2003 läuft das System seit zwei Jahren ohne größere Probleme. Es ist rational und fortschrittlich konzipiert, sicher und zuverlässig im Betrieb, wartungsfreundlich und einfach und intuitiv zu bedienen. Dank der umfassenden Funktionen, der Zuverlässigkeit, der Langlebigkeit und der prägnanten Anweisungen der SPS sowie der hervorragenden Kompatibilität zwischen Touchscreen und SPS können Programme über den Touchscreen überwacht, geändert und optimiert werden. Dies hat die Mitarbeiter des Kraftwerks geschult und den Elektrikern die Grundlagen der SPS sowie die Software- und Hardwareentwicklung und Fertigungstechniken von automatischen Steuerungssystemen vermittelt, wodurch sich ihre technischen Fähigkeiten verbessert haben. Darüber hinaus wurden erhebliche Kosten für die Automatisierungsmodernisierung und die Instandhaltung der Anlagen im Wasserkraftwerk Hongmen eingespart. Über den Autor: Jiang Hong (geb. 1969), männlich, Ingenieur, derzeit tätig in der Elektroinstallation und der täglichen Wartung von Generatoreinheiten in einem Wasserkraftwerk. Kontaktadresse: Hongdian New Village, Yingtan City, Provinz Jiangxi. Telefonnummer: 0701-6318698. E-Mail: [email protected]