Ausgehend von den Anforderungen an Kühlprozesse in Kühlhäusern schlägt dieser Artikel ein Kühlhaus-Überwachungssystem auf Basis der Profibus-Feldbustechnologie vor und beschreibt detailliert die Hardwarekonfiguration, die Systemfunktionen und das Software-Design des Profibus-DP-Netzwerks. Dieses System behebt die Probleme herkömmlicher DCS-Steuerungssysteme, reduziert den Verkabelungsaufwand und verbessert die Zuverlässigkeit und den Automatisierungsgrad des Kühlhausbetriebs. 1 Einleitung: Derzeit werden in großen Kühlhäusern in meinem Land hauptsächlich manuelle oder zentralisierte Steuerungssysteme zur Überwachung der Kälteanlagen eingesetzt. Die Steuerungen und Feldgeräte sind über eine Vielzahl von I/O-Kabeln verbunden, was nicht nur die Kosten erhöht, sondern auch die Systemzuverlässigkeit beeinträchtigt. Das Steuerungssystem sendet analoge 4-20-mA-Signale an die Überwachungsgeräte. Aufgrund der begrenzten Informationen, die die Steuerung erfasst, sind die Online-Fehlerdiagnose-, Alarmierungs- und Aufzeichnungsfunktionen der Feldgeräte jedoch unzureichend. Darüber hinaus gestaltet sich die dynamische Überwachung, die Ferneinstellung von Parametern und die Modifizierung von Feldgeräten schwierig. Dies führt zu einer schwachen Informationsintegration und schlechter Wartbarkeit des Kälteanlagen-Steuerungssystems, beeinträchtigt die Produktionseffizienz des Kühlhauses und verursacht erhebliche Probleme im Produktionsmanagement. Mit der Anwendung und Weiterentwicklung der Computernetzwerktechnologie im Bereich der industriellen Steuerungstechnik hat sich die Einrichtung eines auf Profibus-DP-Feldbus basierenden Kälteanlagen-Überwachungssystems als effektive Lösung für dieses Problem erwiesen. Der Profibus-Feldbus ist ein volldigitales, serielles, bidirektionales und mehrzweigiges Kommunikationsnetzwerk, das für lokale Netzwerke (LANs) von Instrumenten und Steuerungseinrichtungen in Fabriken und Werkstätten eingesetzt wird. Da er rein digitale Technologie nutzt und mehrere Instrumente und Geräte über ein einziges Kabel verbindet, überträgt er große Datenmengen (nicht nur Steuerdaten, sondern auch Konfigurations-, Status- und Diagnosedaten). Zudem zeichnet er sich durch eine höhere Störfestigkeit und geringere Installations-, Betriebs- und Wartungskosten aus. Daher wird der Einsatz dieser Technologie in Überwachungssystemen für Kühlhauskühlung den Verdrahtungsaufwand und die Kabelinvestitionen erheblich reduzieren, Signalstörungen vermeiden und das System zuverlässiger, bedienerfreundlicher und intuitiver in der Überwachung machen. 2. Systemaufbau und Hauptfunktionen: Dieses 10.000-Tonnen-Kühlhauskühlsystem verfügt über einen unabhängigen offenen Schraubenkompressor, der sechs Lagerhallen mit Kühlung versorgt. Die Lagerhallen werden durch Ventilatoren mit Kaltluft umgewälzt. Die Lagerhallen 1–5 sind Tiefkühllager mit 60 Temperaturmesspunkten bei -18 °C, Lagerhalle 6 ist ein Kühllager mit 12 Temperaturmesspunkten bei 0–4 °C. Es gibt 12 Lüftergruppen mit insgesamt 60 Lüftern. Das Steuerungssystem erfordert die automatische Steuerung des Abtauvorgangs, einschließlich des An- und Abschaltens von Geräten wie Kompressoren, Ammoniakpumpen, Wasserpumpen und Luftkühlern sowie der Anpassung der Kompressorleistung. Die zentrale Leitwarte überwacht den Betriebszustand jeder Kälteanlage im Kühlhaus und zeigt die Lagertemperatur, den Rücklaufgasdruck, den Kondensatdruck, den Füllstand des Niederdruck-Zirkulationsbehälters sowie die Betriebsparameter und Kennlinien jedes Kompressors an. Lagertemperatur und Hauptdruck können in der Leitwarte bedarfsgerecht eingestellt werden. 2.1 Systemaufbau: Basierend auf den oben genannten Anforderungen an den Kälteprozess nutzt dieses Überwachungssystem einen Profibus-DP-Bus im Master-Slave-Betrieb (siehe Abbildung 1). Die Masterstation ist eine Siemens S7-300 SPS (CPU315-2DP) mit der Stationsadresse 2 zur Buskommunikation, Steuerung und Verwaltung sowie zum periodischen Datenzugriff. Die Slavestationen bestehen aus drei S7-200 SPS (CPU226) und einer Remote-I/O-Einheit (ET200M) mit den Stationsadressen 3, 4, 5 und 6. Die Profibus-DP-Kommunikation zwischen der Masterstation und der SPS-Slave-Station S7-200 wird über das Kommunikationsmodul EM277 realisiert, wobei die CPU226 als DP-Slave-Station fungiert. Der Host-Rechner ist ein Industrie-PC von Advantech mit einer integrierten dedizierten Kommunikationsnetzwerkkarte CP5611, die über einen MPI-Port mit der SPS verbunden ist. Der Industrie-PC dient als Mensch-Maschine-Schnittstelle und ist mit der Programmiersoftware STEP7 V5.1 von Siemens sowie der Überwachungssoftware KingSCADA ausgestattet. Mit STEP7 V5.1 wird das System zunächst mit den entsprechenden Netzwerkeinstellungen konfiguriert, z. B. mit den Einstellungen für den Kommunikationsport, den Stationsadressen und den Datenübertragungsraten. Anschließend wird die Masterstation S7-300 über den MPI-Port konfiguriert. Sie besteht aus einem Netzteilmodul PS307, einer CPU315-2DP, einem Analogausgangsmodul SM332, einem Digitaleingangsmodul SM321 und einem Digitalausgangsmodul SM322. Der Host-Computer nutzt KingSCADA zur Konfiguration verschiedener Bildschirme und ermöglicht so das Durchsuchen von Daten, die Parametereinstellung, den manuellen/automatischen Betrieb, Fehlermeldungen, die Aufzeichnung historischer Daten und weitere Funktionen. Er überwacht relevante Parameter des Kälteanlagen-Steuerungssystems und verfügt über umfassende Berichtsfunktionen. Die Masterstation besitzt eine PROFIBUS-DP-Schnittstelle zur Datenkommunikation mit drei Slave-Stationen. Über die ET200M-E/A kann die Masterstation zudem Kompressor, Ammoniakpumpe und Wasserpumpe fernsteuern und die Anzahl der in Betrieb befindlichen Kompressoren lastabhängig anpassen, während gleichzeitig die Betriebsparameter der Kompressoren erfasst werden. Da die sechs Kühlräume weit vom zentralen Überwachungsraum entfernt liegen, sind drei S7-200-SPSen strategisch günstig in der Nähe der Eingänge der Kühlräume als Remote-Slave-Stationen zur Datenerfassung installiert. Zwei dieser S7-200-SPSen sind Temperaturerfassungsboxen, deren Temperatursensorsignale mit der jeweils nächstgelegenen Box verbunden sind. Die S7-200 in der Box empfängt E/A-Konfigurationen von der Masterstation, erfasst Temperaturwerte zeitversetzt und sendet und empfängt Daten von der Masterstation. Im Feldkasten ist ein TD200-Textdisplay installiert, das die lokale Überprüfung von Temperaturwerten und anderen Informationen ermöglicht. Eine weitere S7-200-SPS erfasst den Strom von 60 Lüftern sowie den Druck der Ansaug- und Abluftverteiler in sechs Kühlräumen und sendet die Daten über den Profibus-DP-Bus an den Host-Rechner, um die Lüfterstrom- und Druckwerte sowie deren Kennlinien anzuzeigen. 2.2 Temperaturüberwachungsschaltung Aufgrund der Vielzahl an Temperaturmesspunkten in den Kühlräumen muss die Temperatur an jedem Messpunkt vom Widerstandssignal des PT100-RTD-Temperatursensors in ein standardmäßiges 4-20-mA-Stromsignal umgewandelt und über einen Temperaturtransmitter an die S7-200-SPS übertragen werden. Dies erfordert 36 Temperaturtransmitter und fünf analoge Eingangsmodule pro Temperaturerfassungsstation. Mithilfe der leistungsstarken Steuerfunktionen der SPS ist die Schaltung so programmiert, dass sie den Ein-/Aus-Zustand der 36 Temperaturtransmitter und des Zwischenrelais KA innerhalb eines (einstellbaren) Abfragezyklus von 60-120 s steuert. Daher benötigt jede Gruppe nur einen Temperaturtransmitter und ein analoges Eingangsmodul zur Erfassung aller Temperaturwerte. Die Softwareverarbeitung reduziert somit die Hardwarekonfiguration, senkt die Kosten des Überwachungssystems und verringert die Ausfallraten der Geräte. 2.3 Hauptfunktionen des Systems (1) Vollständige Prozesssteuerung von Kälteanlagen wie Kompressor, Ammoniakpumpe, Ventilator und Abtauanlage. (2) Echtzeit-Anzeige der wichtigsten Prozessparameter des Kältesystems (z. B. Temperatur, Druck, Ventilatorstrom). (3) Dynamische Simulation und Anzeige des Betriebszustands der einzelnen Geräte (z. B. Kompressorstart und -stopp, Flüssigkeitsstand im Niederdruck-Umwälzbehälter). (4) Manuelle oder automatische Temperaturüberwachung der sechs Kühlräume sowie Einstellung und Änderung von Parametern wie Temperatur und Druck über die Computertastatur. (5) Online-Erkennung und Alarmierung bei Überschreitung von Grenzwerten für Parameter wie Temperatur, Druck und Stromstärke. (6) Automatische Generierung, Datenabfrage und Ausdruck verschiedener Produktionsmanagementberichte. 3 Software-Design 3.1 SPS-Programmierung Die STEP7-Software verwendet eine modulare Programmierstruktur. Das Steuerungsprogramm des gesamten Kühlraums besteht aus dem Organisationsblock OB, dem Funktionsblock FC und dem Datenblock DB. Der Organisationsblock OB bildet die Schnittstelle zwischen dem Systembetriebsprogramm und der Benutzeranwendung unter verschiedenen Bedingungen und dient der Steuerung des Programmablaufs. Die verschiedenen OBs haben unterschiedliche Funktionen. Die Organisationsblöcke in diesem Entwurf umfassen OB1, OB82, OB84, OB86, OB87, OB100 und OB122. OB1 definiert die Struktur der Hauptprogrammschleife. OB82 ist die Diagnose-Interrupt-Routine, die Diagnosedaten von Modulen mit Diagnosefunktionen (z. B. Analogeingangsmodulen) empfängt. OB84 behandelt CPU-Hardwarefehler-Interrupts, OB86 Rack-Fehler-Interrupts und OB87 Kommunikationsfehler-Interrupts. OB100 ist der Start-Organisationsblock für den Warmstart. OB122 ist der Zugriffsfehler-Organisationsblock zur Fehlerbehandlung. OB1 ist das Hauptprogramm und primär für die Systeminitialisierung, die Initialisierung der Parameter und den Aufruf von Unterprogrammen zuständig. FC ist ein benutzerdefinierter Unterprogrammblock mit Funktionsblöcken für die Kompressorsteuerung, die Luftkühlersteuerung, die Füllstandsregelung des Niederdruck-Zirkulationsbehälters, die Abtausteuerung, die Fehlerbehandlung sowie die Datenerfassung und -verarbeitung. Das Hauptprogramm OB1 ruft diese Unterprogramme auf, um die entsprechenden Ereignisse zu verarbeiten. Während des Programmierprozesses müssen folgende Punkte berücksichtigt werden: (1) Temperaturerfassung und -verarbeitung: Der Ist-Temperaturwert des Lagers wird vom Temperatursensor erfasst und an den Analogeingang der SPS gesendet. Nach der A/D-Wandlung wird der Temperaturwert zu einer dimensionslosen digitalen Größe. Um diese digitale Größe als dimensionsbehafteten Ist-Temperaturwert auf dem Host-Rechner anzuzeigen, muss sie vom Programm berechnet und in einen dimensionsbehafteten Wert umgewandelt werden. Gleichzeitig kann das vom Sensor erfasste Temperatursignal kurzzeitig durch Störsignale beeinflusst werden, was zu Fehlfunktionen des Luftkühlers und des Kühlmittelventils führen kann. Um Störungen zu vermeiden, werden innerhalb von 10 Sekunden sechs Ist-Temperaturwerte erfasst und der Mittelwert vom Programm berechnet. Dieser Mittelwert steuert anschließend das Ein- und Ausschalten von Lüfter und Kühlventil und verhindert so effektiv Störungen. (2) Datenblock-Architektur (DB): Der Datenblock DB dient der Speicherung großer Datenmengen und Variablen, die für den Betrieb des Benutzerprogramms erforderlich sind. Er ermöglicht außerdem den Datenaustausch zwischen den Programmblöcken. Im Kälteanlagen-Überwachungssystem erfolgt die Kommunikation zwischen Host- und Slave-Rechner hauptsächlich durch Lesen und Ändern des DB-Blocks des Slave-Rechners. Das System umfasst neun DB-Blöcke, die Ist-Temperaturdaten, Soll-Temperaturdaten, aktuelle Daten, Flüssigkeitsstanddaten, Ist-Druckdaten, Soll-Druckdaten, Abtau- und Alarmdaten sowie Daten zu verschiedenen Ventilöffnungen darstellen. Durch das Lesen der DB-Blöcke vom unteren Rechner werden der entsprechende Ist-Temperaturwert und der Ein-/Aus-Status des Verdampfers auf dem oberen Rechner angezeigt. Durch die Änderung der Daten in den entsprechenden DB-Blöcken der untergeordneten Maschine, beispielsweise durch die Änderung der Solltemperatur eines bestimmten Lagers, werden die Werte in den DB-Blöcken angepasst und somit das Starten und Stoppen von Geräten wie Kompressoren und Ventilatoren gesteuert. 3.2 Konfigurationssoftware-Design Die verwendete Konfigurationssoftware ist KingSCADA von Beijing Yacon. Diese Software erfasst über S7-300 verschiedene Prozessparameter während des Kälteprozesses und überwacht in Echtzeit den Lüfterstatus (laufend, gestoppt, defekt), den Flüssigkeitsstand im Niederdruck-Umwälztank sowie die Betriebsänderungen verschiedener Magnetventile an der übergeordneten Maschine. Dadurch erhalten die Bediener einen intuitiven Überblick über den Betriebszustand des Systems. Dynamische Parameter wie Temperatur, Druck, Stromstärke, Sollwertanpassung und Fehlerstatus können mithilfe von Daten, Diagrammen, Balkendiagrammen und Trenddiagrammen dargestellt werden. Gemäß den Anforderungen des Überwachungssystems wurden insgesamt 30 Bildschirme in acht Kategorien konfiguriert. Diese umfassen simulierte Betriebszustandsanzeigen der einzelnen Einheiten im Kühlhaus und der Kälteanlage, Betriebszustandsanzeigen der einzelnen Feldüberwachungseinheiten im Gesamtsystem, Bildschirme für Arbeitsberechtigungen wie Abfrage, Überwachung und manuelle Bedienung, Bildschirme zur Aufzeichnung aktueller Werte, zur Speicherung und zum Ausdruck historischer Daten sowie von Parameterwerten, historische Kurvenanzeigen, Alarmfenster und Berichtsverwaltungsbildschirme. Die Bediener können mithilfe von Maus oder Tastatur und den Anweisungen in den Menüs und Dialogfeldern einfach zwischen den verschiedenen Schnittstellen wechseln. 4. Fazit: Im Zuge der Automatisierung des Kühlhauses wurde ein leistungsstarkes industrielles Feld-LAN mittels einer SPS über den Profibus-DP-Feldbus aufgebaut. Dies ermöglicht die vernetzte Überwachung des Kühlhaus-Produktionsprozesses, reduziert den Verkabelungsaufwand erheblich und verbessert die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Systems. Dank der Intelligenz und Digitalisierung der Feldbusgeräte wird im Vergleich zu analogen Signalen die Mess- und Regelungsgenauigkeit grundlegend verbessert und Übertragungsfehler werden reduziert. Gleichzeitig wird durch die vereinfachte Systemstruktur, die geringere Anzahl an Geräten und Verbindungen sowie die erweiterten internen Funktionen der Feldinstrumente der Signalübertragungsaufwand reduziert, was die Systemzuverlässigkeit erhöht. Darüber hinaus bietet das System dank seiner standardisierten Ausstattung und modularen Funktionen die Vorteile eines einfachen Designs und einer unkomplizierten Rekonfiguration.