Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt die Methode zur Automatisierung des Überwachungssystems der Schleusentore am Gelben Fluss mithilfe einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) vor. Es wird vorgeschlagen, das SPS-Steuerungssystem mit dem herkömmlichen manuellen Steuerungssystem (Drucktaster-Schütz) zu kombinieren, um das Umschalten zwischen manueller und SPS-Steuerung beim Öffnen und Schließen der Schleuse zu realisieren. Der Artikel erläutert das SPS-Überwachungssystem hinsichtlich seiner Hauptfunktionen, Systemzusammensetzung und seines Designs und präsentiert Lösungen für zentrale Probleme. Das System zeichnet sich durch hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit sowie leistungsstarke Funktionen aus und ist eine geeignete Methode zur Automatisierung des Überwachungssystems. Es wurde bereits an fünf Schleusentoren des Gelben Flusses in Shandong erfolgreich eingesetzt. Schlüsselwörter: SPS, Überwachungssystem, Automatisierung, Umschalten zwischen Öffnen und Schließen der Schleuse. 1. Einleitung: Das Überwachungssystem vor Ort ist das zentrale Element des Betriebs der Schleusentore am Gelben Fluss. Sein sicherer und zuverlässiger Betrieb gewährleistet den reibungslosen und effizienten Betrieb der Schleuse. Im herkömmlichen Überwachungs- und Steuerungssystem des Umleitungsschleusentors des Gelben Flusses erfolgt die Steuerung über eine Drucktaster-Schütz-Schaltung. Das Öffnen und Schließen des Tores wird hardwareseitig per Knopfdruck realisiert. Aufgrund der Vielzahl elektrischer Kontakte und veralteter Steuerungsmethoden ist es schwierig, die gewünschte Toröffnung zu erreichen. Zudem sind die Messmethoden vor Ort äußerst rückständig und basieren hauptsächlich auf einfachen mechanischen Messmechanismen. Einige Daten müssen von den Bedienern sogar erfahrungsbasiert geschätzt werden. Die Planung und Bewirtschaftung des Wasservolumens des Gelben Flusses erfolgt daher vorwiegend administrativ und nach traditionellen, erfahrungsbasierten Methoden, was zu geringer Effizienz führt. Dies erfüllt eindeutig nicht die Anforderungen an eine nachhaltige Nutzung der Wasserressourcen des Gelben Flusses. Der Einsatz einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) ist ein wichtiges Mittel der industriellen Automatisierung. In diesem Beitrag wird vorgeschlagen, das herkömmliche Überwachungssystem des Umleitungsschleusentors des Gelben Flusses mithilfe einer SPS zu automatisieren und gleichzeitig das ursprüngliche manuelle System beizubehalten. Dadurch wird ein Umschalten zwischen manueller und automatischer SPS-Steuerung ermöglicht. Nach der Modernisierung wird die Hauptsteuerungslogik des SPS-Überwachungssystems von der SPS implementiert. Das Öffnen und Schließen des Schleusentors erfolgt über Software-Steuerungsprogramme, was eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet. Präzisionssensoren dienen der Parametermessung vor Ort und übertragen die Messdaten in Echtzeit zur Verarbeitung an die SPS. Dadurch werden die benötigten Daten mit hoher Genauigkeit erfasst. Das System ist modular aufgebaut und verwendet eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS). Bei Änderungen vor Ort muss lediglich das Steuerungsprogramm angepasst werden, was die Systemwartung erheblich vereinfacht. Die Einrichtung des lokalen SPS-Überwachungssystems trägt zur sicheren und zuverlässigen Steuerung des Schleusentors sowie zur wissenschaftlichen Planung und Bewirtschaftung der Wasserressourcen des Gelben Flusses bei. Gleichzeitig bildet es die Grundlage für die Fernüberwachung des Umleitungsschleusentors des Gelben Flusses. 2. Hauptfunktionen und Systemaufbau des SPS-Überwachungssystems 2.1 Hauptfunktionen des Systems (1) Erfassung und Verarbeitung der grundlegenden Dateninformationen des Schleusentors. Die Datenanzeige erfolgt über den mit der SPS verbundenen Touchscreen. Diese Informationen umfassen Wasserstand, Torposition, Spannung, Stromstärke usw. (2) Die automatische Steuerung des Toranhebungsvorgangs erfolgt über Touchscreen und SPS-Steuerung. (3) Das System verfügt über Schutzfunktionen gegen Überspannung, Überstrom, Überlastung sowie obere und untere Grenzwerte. Bei Überspannung, Überstrom, Überlastung oder Erreichen der oberen bzw. unteren Grenzwerte schließt das SPS-Steuerungsprogramm das Tor automatisch und gibt gleichzeitig eine Alarmmeldung aus, damit die Bediener in der Leitwarte rechtzeitig entsprechende Maßnahmen ergreifen können. (4) Die Steuerung des Systems kombiniert einen herkömmlichen manuellen Regelkreis mit einem automatischen SPS-Regelkreis. Die Bediener vor Ort können über Schalter zwischen manuellem und SPS-Steuerungsmodus umschalten. Im manuellen Modus öffnen und schließen die Bediener das Tor per Knopfdruck; im SPS-Steuerungsmodus erfolgt die automatische Öffnungs- und Schließsteuerung über einen Touchscreen. 2.2 Systemaufbau Das SPS-Überwachungssystem für Durchlassschieber besteht aus der zentralen Steuerungseinrichtung – einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) mit Ethernet-Schnittstelle –, einem umfassenden Bedienfeld (Touchscreen), der elektrischen Hauptstromkreis-, der Steuerstromkreis- und den Automatisierungskomponenten. Das System verwendet SPS der Schneider Momentum-Serie. Die elektrische Hauptstromkreis- und die Steuerstromkreis-Komponenten des Durchlassschieberhebers umfassen den Heber, AC-Schützspulen, Relais und weitere elektrische und Aktorikmechanismen. Zu den Automatisierungskomponenten gehören hauptsächlich Schieberpositionsanzeigen, Lastsensoren und Wasserstandsmesser. Ein Touchscreen dient zur Bedienung und Anzeige relevanter Parameter. Touchscreen und SPS kommunizieren über eine RS485-Schnittstelle. Nachfolgend ein schematisches Diagramm der Gesamtstruktur des SPS-Überwachungssystems für Durchlassschieber (Abbildung 1): 3. Hardware-Design des SPS-Überwachungssystems 3.1 Analyse der Ein-/Ausgangspunkte Am Beispiel eines Zwei-Loch-Durchlassschiebers umfassen die Schaltereingänge vor Ort manuelle Steuer-/SPS-Steuersignale, obere und untere Grenzwertsignale sowie Statussignale der Hilfskontakte von Schütz und Leistungsschalter. Zu den analogen Eingangssignalen gehören Wasserstand, Last, Spannung, Stromstärke, Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Die Schaltausgänge steuern Zwischenrelais und lösen akustische und optische Alarme aus. 3.2 Elektrischer Hauptstromkreis des Durchlasstors: Der elektrische Hauptstromkreis verwendet zwei Schützgruppen zur Steuerung der Vorwärts- und Rückwärtsdrehung des Motors und damit zum Heben und Senken des Durchlasstors. Der Leistungsschalter im Hauptstromkreis verfügt über eine Auslösespule, die den Motor im Notfall stoppt. Das Schaltbild ist in Abbildung 2 dargestellt. 3.3 Elektrischer Steuerstromkreis des Durchlasstors Die Stromversorgung des Steuerstromkreises erfolgt über eine USV-Spannungsregelung mit 220 V Wechselstrom. Ein Umschalter im Steuerstromkreis ermöglicht das Umschalten zwischen manueller Steuerung und SPS-Steuerung. Die normalerweise geschlossenen Kontakte der beiden Schützgruppen KM1 und KM2, die den Motor steuern, sind verriegelt. Diese Verriegelung verhindert einen Kurzschluss im Hauptstromkreis durch gleichzeitiges Ansteuern der Hebe- und Senkschütze aufgrund versehentlicher Tastenbetätigung. Das Steuerschaltbild ist wie folgt (Abbildung 3): 3.4 SPS-Schaltplan Basierend auf der obigen E/A-Punktanalyse ist der SPS-Schaltplan wie folgt aufgebaut (Abbildung 4): 4. Softwareentwicklung des SPS-Überwachungssystems Neben der Erfassung und Verarbeitung von Daten vom Einsatzort besteht die Kernfunktion der Software in der Steuerlogik zum Öffnen und Schließen des Tors. Das automatische Öffnen und Schließen des Tors wird durch Vergleich des Sollwerts der Torposition (d. h. der Torhöhe) mit dem aktuellen Wert erreicht. Anschließend gibt der Bediener einen Befehl zum Öffnen oder Schließen, der vom Steuerungsprogramm umgesetzt wird. Bevor das Tor geöffnet oder geschlossen wird, gibt das System ein 10 Sekunden langes akustisches und optisches Alarmsignal aus. Nachfolgend ist das Logikblockdiagramm für das Öffnen und Schließen des Tors dargestellt: Basierend auf den Anforderungen an die Systemsoftware und dem Logikblockdiagramm für das Öffnen und Schließen des Tors kann ein 984LL-Programm (geschrieben in der Concept-Konfigurationsumgebung, mit Kontaktplanlogik) erstellt werden, um die Anforderungen des Überwachungssystems zu implementieren. Nachfolgend ist ein Ausschnitt des Steuerungsprogramms für das Überwachungssystem dargestellt. 4.1 Aktuelle Torpositionserkennung: Der Torpositionsmesser verwendet einen Absolutwertgeber von Pepperl+Fuchs. Dieser Geber ist ein Mehrgang-Absolutwertgeber. Die Positionsinformation für eine einzelne Umdrehung umfasst 13 Bit, die Anzahl der Umdrehungen 12 Bit, insgesamt also 25 Bit (siehe unten). Da die 25 Datenbits nach dem Auslesen 2 Wörter (32 Bit) des SPS-Speichers belegen, liegt der Schlüssel zur Torpositionserkennung in der Verarbeitung dieser 25 Datenbits. Sofern die Genauigkeit dies zulässt, kann ein Verschiebungsverfahren in Betracht gezogen werden, um die Anzahl der Umdrehungen und die Positionsinformation in ein Speicherwort zu verschieben und so die Verarbeitung zu vereinfachen. Im folgenden Programm werden die in den Speicheradressen 400411 und 400412 gespeicherten Informationen zur Anzahl der Umdrehungen und zur Position um 5 Bit nach rechts verschoben, sodass sich sowohl die Anzahl der Umdrehungen als auch die Positionsinformation in der Speicheradresse 400412 befinden (8 Bit für die Anzahl der Umdrehungen und 8 Bit für die Position). Obwohl bei dieser Verarbeitung einige Informationen verloren gehen, wird dennoch eine hohe Genauigkeit bei der Torpositionserkennung erzielt und die Verarbeitung erheblich vereinfacht. Nach der Verarbeitung wird die aktuelle Torposition im Speicher unter Adresse 400112 gespeichert. Der Ablauf der Torpositionserkennung und -verarbeitung ist wie folgt: 4.2 Vergleich der aktuellen Torposition mit dem Sollwert. Der Schlüssel zur Realisierung der automatischen Öffnungs- und Schließsteuerung des Tors durch die SPS liegt im Echtzeitvergleich zwischen der aktuellen und der Soll-Torposition. Im folgenden Programm wird der Sollwert der Torposition im Speicher unter Adresse 400111 gespeichert und über den Touchscreen eingegeben. Die aktuelle Torposition befindet sich unter Adresse 400112. Das Vergleichsergebnis steuert die Hilfsspulen 000111 und 000112. Der Zustand dieser normalerweise offenen Kontakte der Hilfsspulen liefert die Steuerinformationen zum Öffnen oder Schließen des Tors. Sobald die aktuelle Torposition dem Sollwert entspricht, wird die Spule zurückgesetzt und das Tor stoppt. Adressen wie 000710 und 000316 in der Abbildung speichern die Zustandswerte der Systemhilfskontakte, beispielsweise den Zustand der Endschalter. 5. Wichtige Aspekte und Lösungen 5.1 Umschalten zwischen manueller und SPS-Steuerung Die Verbindung zwischen der SPS und dem herkömmlichen manuellen Steuerungssystem wird durch einen Schalter zwischen dem manuellen Stromkreis und dem SPS-Steuerkreis hergestellt. Das automatische SPS-Steuerungssystem kommt zum Einsatz, wenn das Tor lokal automatisch geöffnet und geschlossen wird; das manuelle Steuerungssystem wird verwendet, wenn das SPS-Steuerungssystem Fehlfunktionen aufweist oder andere besondere Faktoren auftreten. 5.2 Sicherheitsmechanismen Zusätzlich zum Schutz vor Überspannung, Überstrom, Überlast und Grenzwertüberschreitung sollte das lokale Überwachungssystem auch einen Leistungsschalter mit Shunt-Auslösespule im Hauptstromkreis enthalten, um im Notfall eine Notabschaltung zu gewährleisten. Gleichzeitig kann der Zustand der Hilfskontakte der beiden Schützgruppen als Schalteingang für die SPS verwendet werden. Durch die Beurteilung der Rechtmäßigkeit des aktuellen Schützzustands können Unfälle aufgrund von Schützausfällen deutlich reduziert werden. 5.3 Spannungsstabilisierung und Blitzschutzmaßnahmen Um den sicheren und zuverlässigen Betrieb des SPS-Steuerungssystems zu gewährleisten, sind Maßnahmen zur Spannungsstabilisierung der Systemstromversorgung und Blitzschutzmaßnahmen für die Eingangssignale erforderlich. 5.4 Programm-Debugging und -Speicherung Ob das Überwachungssystem sicher und zuverlässig arbeitet, hängt sowohl von der Hardware- als auch von der Softwarekonfiguration ab. In SPS-Überwachungssystemen müssen Programme wiederholt debuggt werden, um die Designanforderungen zu erfüllen. Nach dem Debugging ist es unerlässlich, das Steuerungsprogramm im Flash-Speicher der SPS zu speichern, um Datenverlust bei einem Stromausfall zu vermeiden. 6. Fazit Die Kombination von SPS mit herkömmlichen manuellen Steuerungssystemen mittels Drucktaster-Schützen zur automatischen Steuerung des Öffnens und Schließens von Durchlässen erweitert die Steuerungsfunktionalität, verbessert die Systemleistung und ermöglicht eine effiziente automatisierte Produktion. Der Schlüssel liegt darin, die Vorteile der SPS voll auszuschöpfen, ihren umfassenden Überwachungsmechanismus zu nutzen, Kommunikations- und Schutzprobleme zu lösen, einen reibungslosen Übergang zwischen manueller und automatischer SPS-Steuerung zu gewährleisten, die Gesamtleistung des Überwachungssystems zu verbessern und letztendlich eine effiziente Produktion zu erzielen. Referenzen [1] Guo Zongren, Wu Yifeng, Guo Yong. Programmierbare Logiksteuerung (SPS) – Anwendungsdesign und Kommunikationsnetzwerktechnologie. Verlag für Post und Telekommunikation. [2] Wang Yonghua, Wang Dongyun u. a. Moderne Elektrotechnik und programmierbare Steuerungstechnik. Verlag der Universität für Luft- und Raumfahrt Peking. 2002 [3] Schneider Electric Corporation. Modicon Concept 2.0 Programmiersoftware – Benutzerhandbuch. [4] Schneider Electric Corporation. Momentum I/O-Karte und Kommunikationsadapter. Anwendung und Forschung von SPS zur automatischen Umrüstung des lokalen Beobachtungs- und Steuerungssystems des Schleusentors des Gelben Flusses. Dong Haibing, Elektrotechnik & Informationstechnik, Hunan Institute of Technology, Hengyang 421001. Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt eine Methode zur Anwendung von SPS im lokalen Beobachtungs- und Steuerungssystem des Schleusentors des Gelben Flusses vor. Gleichzeitig wird die Kombination des SPS-Steuerungssystems mit dem manuellen System aus herkömmlichen Drucktaster-Relais aufgezeigt, wodurch das Umschalten zwischen dem Heben und Senken des Schleusentors des Gelben Flusses zwischen manuellem System und SPS-System ermöglicht wird. In diesem Beitrag wird ein SPS-basiertes Beobachtungs- und Steuerungssystem vorgestellt. Typische Funktionen, Komponenten und der Aufbau des Systems werden erläutert. Zudem wird die Lösung eines 64-Dollar-Problems behandelt. Das System ist sicher, zuverlässig und leistungsstark und demonstriert eine effektive Methode zur automatischen Optimierung der lokalen Beobachtung und Steuerung von Schleusentoren des Gelben Flusses. Es ist derzeit an fünf Schleusentoren des Gelben Flusses in der Provinz Shandong implementiert. Schlüsselwörter : SPS, Beobachtungs- und Steuerungssystem, Automatische Optimierung, Hebe- und Senktor des Gelben Flusses, Schalter. Autorenbiografie: Dong Haibing (geb. 1980), männlich, aus Qichun, Provinz Hubei, absolvierte sein Masterstudium am Schlüssellabor für optoelektronische Technologie und Systeme des Bildungsministeriums der Universität Chongqing und ist derzeit Dozent am Hunan Institute of Technology. Seine Forschungsschwerpunkte liegen in der automatischen Steuerung und der optoelektronischen Technologie.