Schlüsselwörter: Touchscreen, SPS, Frequenzumrichter, Regelung 1. Einleitung Ein Touchscreen ist ein neuartiges programmierbares Bediengerät und eine neue Generation von Hightech-Mensch-Maschine-Schnittstellen. Er eignet sich für die Feldsteuerung und zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit, einfache Programmierung sowie komfortable Bedienung und Wartung aus. Der Einsatz eines Touchscreens kann die Automatisierungssteuerung des gesamten Produktionsprozesses erheblich verbessern, insbesondere bei vielen Prozessparametern und der Notwendigkeit einer Mensch-Maschine-Interaktion. Eine SPS zeichnet sich durch hohe Rechengeschwindigkeit, umfangreiche Befehle, leistungsstarke Funktionen, hohe Zuverlässigkeit, einfache Bedienung, flexible Programmierung und hohe Störfestigkeit aus. Mit dem kontinuierlichen Fortschritt von Wissenschaft und Technik steigen die Anforderungen verschiedener Branchen an den Automatisierungsgrad ihrer Produktionsanlagen und -systeme stetig. Der Einsatz moderner Automatisierungstechnik trägt wesentlich zur Reduzierung des Arbeitsaufwands, zur Optimierung von Produktionsprozessen, zur Steigerung der Arbeitsproduktivität und zur Senkung der Produktionskosten bei. Die Kombination von Touchscreens und SPS in Frequenzumrichter-Regelsystemen ist ein Trend in der Automatisierungstechnik. Der Einsatz von Touchscreens und speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) in geschlossenen Regelkreisen für energiesparende Frequenzumrichter ermöglicht es dem Bediener, Sollwerte (Druck, Temperatur usw.) direkt auf dem Touchscreen einzustellen. Die SPS vergleicht und berechnet diese Werte mit den Istwerten (Sensormessungen) und sendet Berechnungsanweisungen (Analogsignale) direkt an das energiesparende Frequenzumrichtersystem, um die Ausgangsfrequenz des Umrichters anzupassen. Sie kann den Istwert des geregelten Systems und verschiedene Parameter innerhalb des Umrichters in Echtzeit überwachen und Alarm- und Aufzeichnungsfunktionen realisieren. Ein typisches geschlossenes Regelkreissystem für energiesparende Frequenzumrichter, das eine SPS und einen Touchscreen kombiniert, ist in der folgenden Abbildung dargestellt. 2. Geschlossene Regelkreise für energiesparende Frequenzumrichtersysteme finden vielfältige Anwendung. Die Antriebs- und Regelungsmethoden variieren je nach Situation, und die Auslegung sollte entsprechend den jeweiligen Anforderungen ausgewählt werden. Einige Beispiele sind nachfolgend aufgeführt: Energieeinsparung bei zentralen Klimaanlagen: Kaltwasserpumpen, Kühlpumpen, Hauptgeräte, Kühlturmlüfter, Gebläsekonvektoren usw. Wasserversorgung mit konstantem Druck: Primär- und Sekundärpumpen in Wasserwerken, Druckerhöhungspumpen in Wassernetzen, Wasserpumpen in Gebäuden usw. Kessel: Saugzugventilatoren, Druckzugventilatoren, Speisewasserpumpen usw. Die Vorverarbeitungssignale für die Steuerung und Regelung des Frequenzumrichter-Energiesparsystems werden vom automatischen Kesselsteuerungssystem (DCS) oder vom Mehrimpuls-Regelsystem bereitgestellt. Dampfturbinen: Umwälzpumpen, Kondensatpumpen usw. Deren Vorverarbeitungssignale für die Steuerung und Regelung werden vom automatischen Dampfturbinensteuerungssystem (DCS) bereitgestellt. Reinstwasseraufbereitungssysteme: Enthärtungspumpen, Druckerhöhungspumpen usw. Reinräume: Druckerhöhungsventilatoren, FFU-Gruppensteuerung usw. 3. Komponenten und Funktionen des gesamten geschlossenen Frequenzumrichter-Energiesparsystems: (1) Die gewählte SPS ist eine SIEMENS S7-200-Serie: bestehend aus CPU224XP, DI/DO-Modul und AI/AO-Modul. Die SPS ist als Steuereinheit das Herzstück des Gesamtsystems. Ihre Hauptfunktionen sind: ① Erfassung verschiedener Systemdaten und Umwandlung zwischen digitalen und analogen Größen. ② Logiksteuerung und PID-Reglerberechnung für das Gesamtsystem. ③ Bereitstellung der erfassten und verarbeiteten Daten für den Touchscreen und Ausführung der vom Touchscreen eingegebenen Befehle. ④ Umwandlung der PID-Reglerdaten in analoge Steuersignale zur Anpassung der Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters. ⑤ Lesen, Schreiben und Steuern der internen Parameter des Frequenzumrichters über das Kommunikationskabel und das USS4-Protokoll. (2) Der Touchscreen basiert auf dem SIEMENS MP370 und bietet folgende Hauptfunktionen: ① Anzeige des Betriebszustands von Anlage und System in Echtzeit. ② Übermittlung von Anweisungen und Daten an die SPS über den Touchscreen und anschließende Steuerung des Systems oder der Anlage über die SPS. ③ Er kann als Mehrbildschirm-System konfiguriert werden und ersetzt so herkömmliche elektrische Bedienfelder und Anzeige- und Aufzeichnungsgeräte. Dadurch bietet er einen größeren Funktionsumfang. (3) Wechselrichter: Es wird ein Wechselrichter der SIEMENS 440-Serie verwendet. Über das USS4-Protokoll können bestimmte Parameter seiner internen Schaltung per Touchscreen und SPS eingestellt werden. Die Drehzahl der Wasserpumpe oder des Lüfters wird anhand der von der SPS gesendeten (analogen) Datenwerte angepasst, und die internen Betriebsparameter werden an die SPS zurückgemeldet. (4) Druck-, Temperatur- und andere Sensoren: Die Ist-Parameterwerte des gesteuerten Systems (Wasser- oder Luftsystem) werden in elektrische Signale umgewandelt und an die SPS übertragen. (5) Elektrische Komponenten: Stromversorgung der SPS, des Touchscreens, des Wechselrichters und der Sensoren usw. sowie Durchführung verschiedener Operationen und Antriebe. 4. Touchscreen-Design: Der Touchscreen wird mit spezieller Software wie ProTool entworfen und anschließend vom Programmierrechner getestet. Nach erfolgreichem Test wird er auf den Touchscreen geladen. Die Gesamtzahl der Touchscreen-Bildschirme sollte den verfügbaren Speicherplatz nicht überschreiten. Jeder Bildschirm sollte untereinander umschaltbar sein und einen erzwungenen Wechsel ermöglichen. (1) Design des Hauptbildschirms: Im Allgemeinen kann der Begrüßungsbildschirm oder der Hauptbildschirm des gesteuerten Systems als Hauptbildschirm verwendet werden. Von diesem Bildschirm aus können alle Unterbildschirme aufgerufen werden. Jeder Unterbildschirm kann mit einem Schritt zum Hauptbildschirm zurückkehren. Wird der Hauptbildschirm des gesteuerten Systems als Hauptbildschirm verwendet, sollten einige wichtige Parameter des gesteuerten Systems angezeigt werden, um einen Überblick über das gesamte System zu erhalten. (2) Design des Steuerbildschirms: Dieser Bildschirmtyp dient hauptsächlich der Steuerung des Starts und Stopps der gesteuerten Geräte und der Anzeige der internen Parameter des Wechselrichters. Die Parametereinstellungen des Wechselrichters können ebenfalls hier angezeigt werden. Dieser Bildschirmtyp macht den größten Anteil der Touchscreens aus. Die genaue Anzahl der Bildschirme hängt von den tatsächlich gesteuerten Geräten ab. (3) Gestaltung der Parametereinstellungsseite: Diese Seite dient hauptsächlich der Einstellung der internen Parameter des Wechselrichters. Gleichzeitig sollte sie den Status der abgeschlossenen Parametereinstellung anzeigen. In der Praxis sind auch Verschlüsselungsaspekte zu berücksichtigen. (4) Gestaltung der Echtzeit-Trendseite: Diese Seite zeigt den Echtzeitstatus der Regelwerte und der wichtigsten Betriebsparameter des Wechselrichters (z. B. Ausgangsfrequenz) als Kurvendiagramm an. (5) Gestaltung der Informationsaufzeichnungsseite: Diese Seite protokolliert mögliche Geräteschäden, Überlastungen, Grenzwertüberschreitungen und Systemnotabschaltungen. Zusätzlich können hier die Start- und Stoppvorgänge der einzelnen Geräte als Nachweis aufgezeichnet werden. (6) Gestaltung der Energiesparanzeige: Diese Seite zeichnet den kumulierten Stromverbrauch des Frequenzumrichters und den aktuellen Energiesparstatus auf und zeigt ihn an, um dem Benutzer die Vorteile der Energieeinsparung durch Frequenzumwandlung aufzuzeigen. Die Anzeige kann auch mit anderen Energiesparmaßnahmen verglichen werden. 5. SPS-Programmentwurf: Das SPS-Programm wird mit der Programmiersoftware S7-200 erstellt und anschließend über den Programmierrechner zur Online-Fehlerbehebung auf die SPS übertragen. Nach erfolgreichem Test kann es verwendet werden. Vor der Programmierung der SPS sollten die Adressen der einzelnen Funktionsabschnitte des Programms sorgfältig geplant werden, um die wiederholte Verwendung derselben Adresse und damit verbundene Fehlfunktionen zu vermeiden. (1) Entwurf der Logikfunktionen: Dieser Programmteil implementiert hauptsächlich Start/Stopp, Verknüpfung, Verriegelung und automatisches Schalten der einzelnen Frequenzumrichter, Wasserpumpen (oder Lüfter) usw. Der Test der Software-Logikfunktionen kann in der Regel offline durchgeführt werden. (2) Entwurf der PID-Funktion: Das PID-Regelungsprogramm kann mithilfe des PID-Assistenten in S7-200 erstellt werden. Die konkrete Anwendung muss anhand der geregelten und der verwendeten Abtastgeräte festgelegt werden. (3) Entwurf des Abtastprogramms: Bei Verwendung der Standardkonfiguration der Abtastelemente ist darauf zu achten, dass die spezifischen Daten nach der A/D-Wandlung der Abtastung mit den PID- und Anzeigeprogrammen kompatibel sind. Im praktischen Einsatz sind auch Mehrkanal- und entsprechende Abtastverfahren zu berücksichtigen. (4) Entwicklung des Kommunikationsprogramms für SPS und Wechselrichter: Die Kommunikation zwischen der SIEMENS S7-200 SPS und dem SIEMENS 430 sowie anderen Wechselrichtern erfolgt in der Regel über das USS4-Protokoll. Hauptzweck dieses Programms ist die Überwachung des Echtzeit-Betriebszustands des Wechselrichters. (5) Entwicklung weiterer Hilfsprogramme: Bei der Programmierung der SPS müssen Programmfehler behoben, Programmlücken minimiert, das Programm wiederholt optimiert und die Ergebnisse kontinuierlich zusammengefasst und verbessert werden. Fazit: Der Einsatz von Touchscreens in geschlossenen Frequenzumrichter-Energiesparsystemen ermöglicht es Anwendern, das gesamte zentrale Klimaanlagen-Frequenzumrichter-Energiesparsystem sowie die zugehörigen Geräte und Systeme einfach und intuitiv zu überwachen. Dies verbessert den Automatisierungsgrad und die Hardwarequalität des gesamten Systems und des Unternehmens. Dank der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Mikrocomputertechnologie sinken auch die Kosten für Touchscreens. In Kombination mit SPSen in einem System wird ein qualitativer Sprung im Automatisierungsgrad des gesamten Systems erzielt. Dies wird unweigerlich zu einer breiteren Anwendung von Touchscreens und speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) in verschiedenen Produktionssystemen in der Zukunft führen und sie zu einem Höhepunkt der Entwicklung der Automatisierungssteuerung machen.