Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt ein Steuerungssystem auf Basis der SPS S7-300 vor. Das System kommuniziert über die S7-300 mit der Host-Workstation und ermöglicht so die vollautomatische Gasregelung. Dadurch wird ein stabiler Systembetrieb gewährleistet, die Arbeitsbelastung der Mitarbeiter reduziert und eine entscheidende Rolle in der Gasproduktion gespielt. Schlüsselwörter: SPS; Sauerstoffregelungsraum; Gasregelung; Kommunikation 0 Überblick Der Regelungsraum des Gasversorgungsunternehmens wurde im Oktober 2001 als Teilprojekt zur technologischen Modernisierung unseres Werks in Betrieb genommen. Seine Funktion besteht in der Bereitstellung und Regelung der benötigten Produktionsgase (Sauerstoff, Stickstoff und Argon). Mit der schrittweisen Erweiterung der Produktionskapazität unseres Werks in den letzten Jahren ist der Bedarf an einer stabilen und schnellen Gasregelung gestiegen. Die herkömmlichen Sekundärinstrumente genügen den aktuellen Steuerungsanforderungen jedoch nicht mehr. Dies äußert sich hauptsächlich in: 1) Geringe Prozessautomatisierung: Datenerfassung und -rückmeldung erfolgen weiterhin über herkömmliche Sekundärinstrumente, was zu langsamer Datenerfassung, verzögerter Regelung und reduzierter Systemstabilität führt. 2) Geringe interne Speicherkapazität der Instrumente; Gesammelte Druck-, Durchfluss- und andere Daten können nicht über längere Zeiträume gespeichert werden, was die spätere Auswertung und Analyse im Produktionsprozess erschwert. 3) Die geringe Systemzuverlässigkeit erfordert dediziertes Personal für den Systembetrieb und führt somit zu erhöhten Arbeitskosten. Aus diesen Gründen wird ein SPS-Steuerungssystem (Speicherprogrammierbare Steuerung) eingesetzt, um die aktuellen Probleme zu lösen. 1. Eigenschaften und Aufbau von SPS-Steuerungssystemen SPS werden seit Langem in der modernen industriellen Steuerungstechnik eingesetzt. Hinsichtlich der Steuerungsfunktionen bieten SPS Vorteile wie Präzision, Bedienkomfort, einfache Programmierung, unkomplizierte Installation und hohe Zuverlässigkeit. Sie sind äußerst vielseitig und anpassungsfähig, insbesondere im Bereich der Logiksteuerung, wie z. B. der digitalen Ein-/Ausgabe, wo sie unübertroffene Vorteile bieten. SPS verfügen über umfangreiche Logiksteuerungsbefehle und fortschrittliche Anwendungsbefehle und bieten hochwertige Hardware, eine leistungsstarke Systemsoftwareplattform sowie eine benutzerfreundliche Anwendungssoftwareplattform. Darüber hinaus verfügen SPS über eine eigene Netzwerkarchitektur und offene E/A- und Kommunikationsschnittstellen, die den Aufbau von Netzwerken und den Fernzugriff vereinfachen. Die verwendete SPS ist vom Typ Siemens S7-300. Aufgrund der beträchtlichen Entfernung (ca. 800 Meter) zwischen der SPS vor Ort und dem Host-Rechner im Kontrollraum müssen für die Kommunikation RS-485-Repeater paarweise installiert werden. Zusätzlich wurde vor Ort ein TP27-10-Touchscreen zur Datenanzeige installiert, um die Systemstabilität zu gewährleisten. Der Systemaufbau ist in Abbildung 1 dargestellt. 1.1 Systemstruktur und Hardwarekonfiguration: Entsprechend den Steuerungsanforderungen besteht das System aus einem CPU314-CPU-Modul, einem SM321-Digitaleingangsmodul (DI), einem SM322-Digitalausgangsmodul (DO), einem SM331-Analogeingangsmodul (AI), einem SM332-Analogausgangsmodul (AO) und einem IM365-Modul. Das IM365 ermöglicht die Rack-Erweiterung. Der Host-Rechner nutzt eine Siemens CP5611-Netzwerkkarte für die Datenkommunikation zwischen Rechner und SPS. Das gesamte Kommunikationsnetzwerk verwendet das MPI-Protokoll, wodurch die Überwachung und Steuerung des gesamten Gasregelungsprozesses vom Host-Rechner aus möglich ist. 1.2 Funktionale Implementierung des Steuerungssystems Das SPS-Programm beeinflusst direkt den normalen Betrieb des Gasversorgungssystems. Der Schlüssel zur Programmgestaltung liegt im Verständnis des Prozesssystems durch den Programmierer und der flexiblen Anwendung von Programmiertechniken. Daher wurden die Eigenschaften des Gasversorgungsdruckregelungssystems bei der Programmgestaltung vorrangig berücksichtigt. Das Programm wurde anschließend in mehrere Programmmodule unterteilt, wodurch eine modulare Programmierung realisiert wurde. Dies ermöglicht das einfache Hinzufügen oder Entfernen von Programmmodulen, erleichtert Anpassungen des Prozesses vor Ort und erlaubt zudem die Verbesserung verschiedener Programmmodule basierend auf der Steuerbarkeit der unterstützenden Anlagen. Die SPS-Programmiersoftware nutzt die Softwareplattform SIMATIC STEP 7 V5.1 von SIEMENS für die Hardwarekonfiguration, die Adress- und Stationsadressenzuweisung sowie die Kompilierung des Steuerungsprogramms für den gesamten Produktionsprozess. Die Überwachungssoftware auf dem Host-Rechner ist die chinesische Software KingSCADA mit einer vollständig lokalisierten chinesischen Benutzeroberfläche, die die Systementwicklung und den Betrieb vereinfacht. Das System läuft unter Windows 2000 (chinesische Version) und ermöglicht die umfassende Überwachung des Produktionsprozesses. Es generiert historische Daten zu wichtigen Parametern und stellt diese den Bedienern in Form von Berichten oder Diagrammen dar. Mithilfe von VB-Skripten lassen sich historische und Echtzeit-Trends wichtiger Parameter auf dem Host-Rechner im Hauptleitstand anzeigen. Dies ermöglicht die manuelle/automatische Steuerung und Bedienung der Druckregelung, Hoch-/Niederdruckalarme sowie die Anzeige und Erfassung von Durchflussdaten und erfüllt somit die Anforderungen einer hohen Produktivität. 1.3 Feldanzeige: Ein TP27-Touchscreen dient zur Anzeige und Steuerung der Parameter. Das Touchscreen-Programm wurde mithilfe einer Konfigurationssoftware entwickelt. Die benutzerfreundliche und einfach zu bedienende Mensch-Maschine-Schnittstelle mit chinesischem Menü ist leistungsstark. Sie dient hauptsächlich der Anzeige und Steuerung von Druck, Durchfluss und Ventilstellungen vor Ort und bildet die Grundlage für die Bedienung durch die Bediener. 1.4 Industrie-PC-Konfiguration: Der Industrie-PC ist ein Advantech IPC-610, der über eine CP5611-Karte mit der S7-300-SPS kommuniziert. Zu seinen Hauptaufgaben gehören: Übertragung von Überwachungsdaten vor Ort; Betriebsüberwachung; Fehlerprotokollierung und Fehlerbehebung; Parametereinstellung; Produktionsdatenverwaltung und -verarbeitung; grafische Benutzeroberfläche und Offline-Programmierung. 2. Das System realisiert die automatische Steuerung und Überwachung der Gasversorgung und umfasst im Wesentlichen folgende Funktionen: 1) Flexible Betriebsmodi und leistungsstarke Systemsteuerungsfunktionen: Das System ermöglicht die Bedienung über einen übergeordneten Rechner, einen Touchscreen im Schaltschrank oder die manuelle Bedienung vor Ort. 2) Alarmfunktion: Bei Überschreitung der Prozessanforderungen durch den Druck werden vor Ort Über- und Unterdruckalarme ausgelöst. 3) Einfache und komfortable Parametereinstellung: Druckeinstellungswert, P, I, D und weitere Parameter des Druckregelventils können über den übergeordneten Rechner eingestellt werden. 2.1 Systemsteuerungsfunktionen (1) Prozesssteuerungsfunktionen: 1) Das System realisiert die automatische PID-Regelung des Gasversorgungsdrucks. 2) Es linearisiert, filtert und wandelt die erfassten analogen Signale in technische Einheiten um. 3) Es kompensiert Temperatur und Druck der Durchflusssignale und verbessert so die Messgenauigkeit der Instrumente. (2) Die logische Steuerung mit Verriegelungslogik ermöglicht Ein-/Ausschaltung, Logiksteuerung und benutzerdefinierte Funktionsblöcke. Das System realisiert die Ansteuerung von Magnetventilen und Alarmfunktionen bei Parameterüberschreitung. (3) Das Mensch-Maschine-Interface (HMI) umfasst einen Hauptprozessbildschirm sowie mehrere Bildschirme für die Gasversorgungsdruck-, Durchfluss- und Gasversorgungsdruckregelung der einzelnen Systeme. Die Benutzeroberfläche ist intuitiv und übersichtlich gestaltet und bietet Funktionen zur Online-PID-Regelung sowie zur Online-Anzeige von Regelkurven, einschließlich Echtzeit- und historischer Trendkurven der Prozessgrößenänderungen. (4) Der Berichtsdruck erstellt Alarmprotokolle, historische Daten und Datenberichte zwischen den Regelbereichen. Echtzeit- und historische Trendkurven können für jeden beliebigen Zeitraum eingestellt und ausgedruckt werden. 3 Software-Design: Entsprechend der spezifischen Systemanforderungen sind beim Software-Design des SPS-Systems folgende Aspekte zu berücksichtigen: (1) Datenerfassung und Umrechnung von technischen Größen, (2) PID-Algorithmus, (3) Berechnung der Durchflusstemperatur- und Druckkompensation sowie der Durchflussakkumulation. Für die Logiksteuerung im System wird die Kontaktplanprogrammierung (LADDER) verwendet, die intuitiv und komfortabel ist. Für die Berechnung der Durchfluss-, Temperatur- und Druckkompensation sowie der Durchflussakkumulation im PID-Regelkreis wird die kompakte und flexible STL-Programmierung (Statement List) verwendet. Da die PID-Regelung das wichtigste Regelprogramm des Systems darstellt, wird der PID-Algorithmus detailliert erläutert. 3.1 PID-Algorithmus STEP7 bietet zwei gängige PID-Algorithmen: den kontinuierlichen PID-Regler (FB41) und den diskreten PID-Regler (FB42). Basierend auf den Anforderungen wurde FB41 ausgewählt. Die Bedienoberfläche eines PID-Reglers wurde mithilfe der Zeichenfunktion von KingSCADA simuliert. Dabei wurden Funktionen wie manuelles/automatisches Umschalten, Sollwerteingabe, manuelle Ausgabewerteingabe und Eingabe der PID-Parameter (Proportionalbeiwert, Integrationszeit) in der PID-Regelung implementiert. Der Ausgang eines PID-Reglers ist die Summe der Proportional- (P), Integral- (I) und Differenzialanteile (D): Mn = MPn + Min + MDn MPn = GAIN * (SPn - PVn) MPn = GAIN * TS / TI * (SPn - PVn) + MX MDn = GAIN * TD / TS * (PVn-1 - PVn) Mn: Ausgangswert zum n-ten Abtastzeitpunkt. MPn: Proportionalanteil zum n-ten Abtastzeitpunkt, proportional zur Abweichung. Min: Integralanteil zum n-ten Abtastzeitpunkt, der stationäre Fehler eliminiert und die Regelgüte verbessert. MDn: Differenzialanteil zum n-ten Abtastzeitpunkt, angepasst an die Änderungsrate der Differenz, zur Unterdrückung von Überschwingen. SPn: Sollwert zum n-ten Abtastzeitpunkt. PVn: Prozesswert zum n-ten Abtastzeitpunkt. MX: Integralanteil zum (n-1)-ten Abtastzeitpunkt, wird nach jeder Abtastung automatisch aktualisiert. GAIN: Schleifenverstärkung, P-Parameter. TI: Integrationszeitkonstante, I-Parameter. TI: Ableitungszeitkonstante, D-Parameter. TS: Abtastzeit. Aus den obigen Formeln geht hervor, dass der Parameter P (Verstärkung) direkt proportional zu den Werten von P, I und D ist und somit die Empfindlichkeit des PID-Reglers, d. h. die Regelgeschwindigkeit, bestimmt. Je größer der I-Parameter, desto schwächer die Integralwirkung, während je größer der D-Parameter, desto stärker die Ableitungswirkung ist. PID-Parameter lassen sich nicht allein durch theoretische Berechnungen bestimmen; das einzige Kriterium ist die Genauigkeit und Stabilität der Regelgröße (Druck). Daher wird bei der praktischen Inbetriebnahme der Verlauf der Regelgröße in Echtzeit wiederholt beobachtet und analysiert, um die optimale Regelungswirkung zu erzielen. 4. Bedeutung dieses Systems (1) Die computergestützte Verwaltung ermöglicht es dem System, große Datenmengen zu speichern, und die Datenerfassung und -rückmeldung erfolgen zeitnah und präzise. Die Produktionsdaten des Systems können langfristig gespeichert werden, was die Abfrage historischer Produktionsdaten und die sofortige Fehlerbehebung erleichtert. (2) Nach der Inbetriebnahme des Systems wird der Automatisierungsgrad durch computergestützte Anzeige und Steuerung verbessert. Dadurch kann ein unbemannter Einstellvorgang realisiert werden, wodurch die Anzahl der Arbeitsschritte und die Betriebskosten reduziert und die Systemsteuerung auf ein neues Niveau gehoben werden. 5. Fazit: Seit der Inbetriebnahme im Juli 2005 arbeitet das System stabil und zuverlässig, hat alle Steuerungsfunktionen erfolgreich implementiert, gute Steuerungsergebnisse erzielt und die erwarteten Steuerungskennzahlen erreicht. [Referenzen] 1. Yin Huawen (Hrsg.). Speicherprogrammierbare Steuerungen und industrielle Steuerungssysteme. Xi'an: Xi'an Map Press, 2001. 2. SIEMENS Company. SIMATIC S7-300 M7-300 Speicherprogrammierbare Steuerung – Vorlagenspezifikations-Referenzhandbuch, Oktober 2001. 2. SIEMENS Corporation. STEP7_v5.1 Programmierhandbuch (Chinesisch), 2001. 3. Asia Control Corporation. KingSCADA Handbuch Version 6.5. 4. Liao Changchu (Hrsg.). Programmierbare Steuerungstechnik (Dritte Auflage), Chongqing: Chongqing University Press, 2000.