Zusammenfassung: Im Produktprüfsystem des Mess- und Prüfzentrums der Shanxi Xinhua Chemical Co., Ltd. wurden zahlreiche AI808-Instrumente und AI-301ME5-Schalt-I/O-Module von Xiamen Yudian sowie die AI-BUS-Bus-basierte Konfigurationssoftware KingSCADA (Yudian-spezifische Version) eingesetzt. Dadurch wurden die Eigenschaften der Instrumente optimal genutzt, eine automatische Steuerung und eine Entkopplung der Mensch-Maschine-Interaktion erreicht und die angestrebten Ziele erfüllt. Schlüsselwörter: Parameter-Selbstoptimierung, Konfiguration, AI-BUS-Bus . I. Überblick: In den vergangenen drei Jahren hat das Mess- und Prüfzentrum der Shanxi Xinhua Chemical Co., Ltd. sechs Produktprüfsysteme mit Produkten von Xiamen Yudian aufgebaut. Diese umfassen ca. 120 Instrumente der AI-808-Serie und drei KingSCADA-Systeme (Yudian-spezifische Version). Die Systeme werden hauptsächlich für die Ventilsteuerung, Temperaturregelung, Feuchtigkeitsregelung, Luftstromregelung, Ein-/Ausschaltung, Steuerung von Differenzmassenstrommessern, Durchflussmessung und Computerkonfigurationsverwaltung eingesetzt. II. Instrumentensteuerung 1. Ventilöffnungssteuerung Die Anbindung an den Stellungsregler des elektrischen Absperrventils ermöglicht die Ventilsteuerung und damit die Einstellung des Ventilwinkels (siehe Abbildung 1). Vor der Inbetriebnahme des Ventils wird das 4-20-mA-Stromsignal des Stellungsreglers mit einem Standard-Signalkalibrator einheitlich kalibriert. Die Parameter werden gemäß Tabelle 1 eingestellt, um die Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Die experimentellen Daten sind in Tabelle 2 dargestellt. 2. Temperaturregelung Die Temperaturregelung des Heizofens erfolgt mittels eines Platin-Widerstandsthermometers und eines Halbleiterrelais (SSR). Wie in Abbildung 2 dargestellt, dient das Platin-Widerstandsthermometer als Eingang, und das Ausgangssignal wird an das SSR gesendet, um den Heizofen anzusteuern. Der Heizofen weist eine geringe Wärmespeicherung und eine schnelle Wärmeabgabe auf; bei starken Änderungen der Umgebungstemperatur wird die Regelgenauigkeit beeinträchtigt. Aufgrund der begrenzten Ofenleistung ist die Verzögerungszeit lang, was zu einer langen Einschwingzeit und einer schlechten Performance führt. Die Parameter OPL und OPH werden entsprechend der Umgebungstemperatur angepasst. Eine manuelle Selbstoptimierung wird durchgeführt. Nach der Selbstoptimierung wird M5 entsprechend verringert und t erhöht, um ein zufriedenstellenderes Ergebnis zu erzielen. Die Parametereinstellungen sind in Tabelle 3 und die experimentellen Daten in Tabelle 4 dargestellt. 3. Feuchtigkeitsregelung Die relative Luftfeuchtigkeit wird mithilfe eines Temperatur- und Feuchtigkeitssensors und eines elektrischen Luftbefeuchters geregelt. Wie in Abbildung 3 dargestellt, gibt der Temperatur- und Feuchtigkeitssensor zwei Signale aus: Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit. Da das AI-Instrument im Normalbetrieb keine zwei Eingangskanäle unterstützt, werden am Eingang des AI-Instruments zwei Eingangskanäle (1–5 V und 0,2–1 V) verwendet. Durch Umschalten des Parameters Sn werden die Anzeige von Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit sowie die Regelung der relativen Luftfeuchtigkeit realisiert. Aufgrund der geringen Dynamik des elektrischen Heizluftbefeuchters wird der Parameter OPH entsprechend dem erforderlichen Befeuchtungsvolumen angepasst. Die Regelung erfolgt manuell mittels Selbstoptimierung. Die Parametereinstellungen sind in Tabelle 5 und die experimentellen Daten in Tabelle 6 dargestellt . 4. Luftstromregelung Die Luftstromregelung erfolgt mittels eines integrierten intelligenten Blendenmessgeräts, eines Frequenzumrichters und eines Ventilators. Wie in Abbildung 4 dargestellt, berechnet das integrierte intelligente Blendenmessgerät den Betriebszustand der Blende und gewährleistet so eine Messunsicherheit von weniger als ±1,5 % des Messbereichsendwertes (FS). Bei der Auswahl des Ventilators wird der abgedeckte Durchflussbereich berücksichtigt, um sicherzustellen, dass die Luftstromanforderungen bei gleichzeitiger Frequenzanpassung erfüllt werden. Am Beispiel des Frequenzumrichters „Sanken Lida“ werden die Parameter des Frequenzumrichters so angepasst, dass sie den Eingangsanforderungen des KI-Instruments im Bereich von 6–65 Hz entsprechen und somit die Anforderungen der Ventilatormotorcharakteristik erfüllen. Im beschriebenen geschlossenen Regelkreis erzielte das KI-Instrument mit manueller Selbstoptimierung zufriedenstellende Ergebnisse. Die Parametereinstellungen sind in Tabelle 7 und die experimentellen Daten in Tabelle 8 dargestellt. 5. AI-301ME5 zur Schaltersteuerung: Das Modul bildet einen Schaltkreis mit einem zweistufigen Drucktaster und einem Schütz und ermöglicht so das Starten und Stoppen des Geräts sowohl vor Ort als auch per Computer. Wie in Abbildung 5 dargestellt, verwendet das Schaltmodul AI-301ME5 das modulare Design der AI-Instrumente. Jede Einheit kann mit bis zu sechs Modulen bestückt werden. Benutzer können verschiedene Module auswählen, um die Ein- und Ausgabefunktionen der gewünschten Anzahl an Schaltern zu realisieren. Der COMM-Anschluss ist ein dedizierter Kommunikationsanschluss. Soll das Gerät über einen Host-Computer gestartet und gestoppt werden, muss ein Kommunikationsmodul installiert sein. In die verbleibenden fünf Anschlüsse können jeweils zwei Eingangs- oder ein bis zwei Ausgangsmodule eingesetzt werden. Im experimentellen System wurden das S-Kommunikationsmodul und fünf Ausgangsmodule ausgewählt. Zusammen mit den beleuchteten Drucktastern bildeten sie einen Schaltkreis für die Bedienung vor Ort und ermöglichten so das Starten und Stoppen von über 100 Instrumenten und Versuchsgeräten. 6. Steuerung von Differenzmassendurchflussmessern: Es bildet ein Massendurchflussregelungssystem mit einem Massendurchflussregler und einer Durchflussanzeige. Wie in Abbildung 6 dargestellt, wird eine hochpräzise Durchflussregelung durch die Steuerung des Stromausgangs und -eingangs des thermischen Differenzmassendurchflussmessers erreicht. Die Parametereinstellungen sind in Tabelle 9 und die experimentellen Daten in Tabelle 10 aufgeführt. (Hinweis: Der Messfehler dieses Massendurchflussmessers beträgt ±1 % des Messbereichsendwertes.) 7. Verwendung des Durchflusszählers: Ein Durchflussmesssystem wird durch die Kombination des selbstentwickelten Blendendurchflussmessers und des Differenzdruckmessumformers gebildet. Es kann den momentanen und den kumulativen Durchfluss messen, wie in Abbildung 7 dargestellt. Der Druckwert des speziell entwickelten Blendendurchflussmessers wird durch den Differenzdruckmessumformer in ein 4–20-mA-Stromsignal umgewandelt, das in Anwendungen eingesetzt wird, in denen keine hohe Durchflussmessgenauigkeit erforderlich ist. Die Parametereinstellungen sind in Tabelle 11 und die experimentellen Daten in Tabelle 12 aufgeführt. (Hinweis: Der „Nenndurchfluss“ ist der Hauptparameter, der bei der Herstellung dieses Blendendurchflussmessers verwendet wird.) III. Computerkonfiguration und -verwaltung 1. Überblick über die Konfigurationssoftware Die Konfigurationssoftware ist eine Softwareplattform, die auf einem Computerbetriebssystem basiert. Sie wurde strengen Tests unterzogen, zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit aus und kann durch den Austausch von Treibern und Karten mit Instrumenten und SPSen verschiedener Hersteller zu einem Prozessleitsystem (DCS) kombiniert werden. Bei der Auswahl der Konfigurationssoftware steht die Hardware- und Softwarekompatibilität an erster Stelle, gefolgt von der Sicherstellung, dass die ausgewählte Software die erforderlichen Funktionen erfüllt. Unser System verwendet Instrumente der AI-Serie. Daher nutzen wir die YuDian-spezifische Version der KingSCADA-Software zur Entwicklung der grafischen Benutzeroberfläche und der Datenbank der zentralen Steuerungsarbeitsstation. Die KingSCADA-Software (YuDian-spezifische Version) verwendet das RS-485-Schnittstellenkommunikationsprotokoll, das von YuDian eigenständig entwickelte AI-BUS-Protokoll. Das Datenformat besteht aus einem Startbit, acht Datenbits, keinem Paritätsbit und einem oder zwei Stoppbits. Die Baudrate für die Datenübertragung ist von 1200 bis 19200 Bit/s einstellbar (bei einer Baudrate von 19200 Bit/s ist ein Hochgeschwindigkeits-Optokoppler-Kommunikationsmodul erforderlich). 2. Verwendung des Schaltmoduls AI-301ME5: Die Zustände D0–D9 des Schaltmoduls entsprechen den unteren 10 Bits des Parameters 10H. Bei einem Bitwert von „1“ ist der Kontakt geschlossen, bei „0“ geöffnet. Der Host-Computer verwendet die Funktion BitSet(Var, bitNo, OnOff) zum Schreiben und die Funktion Bit(Var, bitNo) zum Lesen an das Schaltmodul. 3. Konfiguration und Verwaltung: Gemäß den Anforderungen soll die Konfiguration die Überwachung und Steuerung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Durchflussrate und Luftvolumen vor Ort ermöglichen, Prozessdaten speichern, Kurven aufzeichnen und Berichte drucken. Außerdem soll der Host-Computer das Starten und Stoppen von Geräten und Anlagen erlauben. Basierend auf diesen Anforderungen wurden S4-Kommunikationsmodule an den Geräten der AI-Serie installiert, unterschiedliche Geräte-IDs vergeben und die Baudrate auf 9600 Bit/s eingestellt. Auf der Softwareentwicklungsplattform des Host-Computers wurden mehrere Gerätenamen erstellt. Die Baudrate und das Datenformat jedes Geräts mussten gemäß den AI-BUS-Kommunikationsanforderungen bestätigt werden, und die Adresse jedes Geräts musste der Adresse des untergeordneten Instruments entsprechen. Die Computerkonfiguration ist in Abbildung 8 dargestellt. Im Datenwörterbuch wurde eine Variablentabelle erstellt. Variablen lassen sich in interne und externe Variablen unterteilen. Entsprechend den Anforderungen wurden mehrere Messwertvariablen (PV), Sollwertvariablen (SV), Ausgangswertvariablen (MV) sowie zugehörige Variablen für die manuelle/automatische Umrechnung (CTRL), PID-Parametervariablen (M5, P, T) und Integer-Variablen für das Schaltmodul erstellt. Alle diese Variablen sind extern. Um Animationen und andere Designanforderungen, wie z. B. Berichte, zu erfüllen, müssen zusätzlich interne Variablen als Zwischenvariablen erstellt werden. Für die Erstellung der Historiendatenbank muss eine solche eingerichtet werden, um die Anforderungen an die Aufzeichnung und den Ausdruck historischer Daten zu erfüllen. In den meisten Systemen ist die in KingSCADA integrierte Historiendatenbank ausreichend. Unser System nutzt die in KingSCADA integrierte Datenbank. Der Betrieb ist zufriedenstellend. Bei höheren Aufzeichnungsanforderungen kann die DDE-Datenaustauschfunktion oder ein SQL Server als Datenbank genutzt werden. Die grafische Benutzeroberfläche ist ein wichtiger Bestandteil industrieller Steuerungssoftware und umfasst typischerweise eine Gesamtansicht, Prozessablaufdiagramme, Gruppenansichten, Echtzeit-/Verlaufsdiagramme, Echtzeit-/Verlaufsdaten der Prozesssteuerung sowie Alarme. KingSCADA bietet all diese Funktionen. Benutzer können die bereitgestellte Grafikbibliothek und benutzerdefinierte Grafiken verwenden, um Prozessablaufdiagramme und andere Ansichten zu konfigurieren und gleichzeitig Prozessparameter dynamisch anzuzeigen. Darüber hinaus lassen sich Objekte mit AutoCAD und CorelDRAW erstellen und mit KingSCADA aktivieren, um dynamische Prozessänderungen abzubilden. Unser System umfasst Prozessablaufdiagramme, Gruppenansichten, Echtzeit-/Verlaufsdiagramme und Echtzeit-/Verlaufsdatenberichte für die Prozesssteuerung. Die Praxis hat gezeigt, dass KingSCADA sowohl für Entwickler als auch für Bediener benutzerfreundlich ist und sich damit gegenüber anderer Software in der heimischen Industrie einen Wettbewerbsvorteil verschafft. IV. Anwendungsergebnisse: Laut den Anwendungsdaten des Mess- und Prüfzentrums der Shanxi Xinhua Chemical Co., Ltd. beträgt die Ventilöffnungsabweichung ±1,0 %; die Temperaturregelung des Heizofens erreicht ±3 %; die Feuchtigkeitsregelung ±4 %; die Luftmengenregelung ±2 % FS; und die Massenstromregelung ±1,5 % FS. In Kombination mit einem speziell entwickelten Blendenmessgerät kann die Regelgenauigkeit ±6 % FS erreichen. Dieses System spart Energie und verbessert die Regelstabilität bei Temperatur, Feuchtigkeit und Luftstrom. Seine Leistung übertrifft die anderer Geräte in derselben Preisklasse und eignet sich daher für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Regelgenauigkeit. Knapp zwei Jahre Betrieb haben gezeigt, dass das benutzerfreundliche Design der Geräte der AI-Serie – wirtschaftlich, zuverlässig und vielseitig – die Bedienung für das Laborpersonal erheblich erleichtert, die Wartung vereinfacht und die Investitionskosten des Unternehmens senkt. Die Implementierung der Computerkonfiguration und -verwaltung hat sowohl Entwicklern als auch Anwendern Vorteile gebracht, indem sie die Trennung von Mensch und Maschine sowie die Fernsteuerung ermöglicht und somit die Designanforderungen des Testgeräts effektiv erfüllt. Referenzen: (1) Zhang Huaguang, He Xiqin. Fuzzy Adaptive Theory and Its Applications. Beijing: Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press, 2002. (2) Yang Xianhui. Fieldbus and Its Applications. Beijing: Tsinghua University Press, 1999. (3) Beijing Yacon Technology Development Co., Ltd. KingSCADA 6.0 User Manual. Beijing: Yacon Company, 2001. (4) Xiamen Yuguang Electronic Technology Co., Ltd. AI Artificial Intelligence Regulator User Manual V6.5. Xiamen: Yuguang Company, 2002.