I. Hintergrund dieser Arbeit: Wie lässt sich ein System effektiv und ohne übermäßige Investitionen verwalten und anwenden, indem die Anwendung und Entwicklung moderner Computertechnologie optimal genutzt wird? Dies beinhaltet die Reduzierung von Hardwareinvestitionen und die Implementierung von Hardwarefunktionen durch Software. Daraus entstand die Konfigurationstechnologie, die Computertechnologie optimal nutzt und Hardware effektiv verwaltet, während gleichzeitig Hardwareinvestitionen reduziert werden. Basierend auf dieser Konfigurationstechnologie wurde die Konfigurationssoftware entwickelt. Netzwerke, die mit Konfigurationssoftware erstellt wurden, sind im Gegensatz zu Netzwerken, die mit professionellen SPSen aufgebaut sind und weniger komfortabel mit dem Internet verbunden werden können, untereinander vernetzbar und weisen eine hohe Kompatibilität auf. Konfigurationssoftware kann Computerressourcen optimal nutzen. II. Leistungen dieser Arbeit: Im Rahmen der Entwicklung des übergeordneten Computerüberwachungssystems für ein Wasserversorgungsleitsystem auf Basis der Konfigurationssoftware Kingview wurden im Wesentlichen folgende Arbeiten durchgeführt: 1. Verständnis des technologischen Prozesses eines turmlosen Konstantdruck-Wasserversorgungssystems und des Funktionsprinzips eines konventionellen elektrischen Steuerungssystems. 2. Einarbeitung in die Programmierumgebung und -methoden der Konfigurationssoftware Kingview und deren Anwendung zur Programmierung des übergeordneten Computerüberwachungssystems. 3. Das System wurde debuggt und das Benutzerhandbuch für das Steuerungssystem erstellt. III. Einführung in die Konfigurationssoftware: Konfigurationssoftware ist spezialisierte Software zur Datenerfassung und Prozesssteuerung. Sie dient als Softwareplattform und Entwicklungsumgebung auf der Überwachungsebene von automatischen Steuerungssystemen. Mithilfe flexibler Konfigurationsmethoden stellt sie Anwendern universelle Softwarewerkzeuge zur Verfügung, mit denen sich Überwachungsfunktionen für industrielle automatische Steuerungssysteme schnell erstellen lassen. Konfigurationssoftware sollte verschiedene industrielle Steuergeräte und gängige Kommunikationsprotokolle unterstützen und typischerweise verteilte Datenverwaltungs- und Netzwerkfunktionen bieten. Konfiguration bedeutet eine beliebige Kombination von Modulen. Computersysteme, die mit Konfigurationstechnologie aufgebaut sind, nutzen hardwareseitig neben Industrie-PCs verschiedene ausgereifte und universelle E/A-Schnittstellen und Feldgeräte, wodurch die Notwendigkeit separater spezifischer Schaltungsentwicklungen weitgehend entfällt. Dies spart nicht nur Hardware-Entwicklungszeit, sondern verbessert auch die Zuverlässigkeit des industriellen Steuerungssystems. Softwareseitig bietet die Verwendung ausgereifter Entwicklungswerkzeuge für industrielle Steuerungssysteme Anwendern eine Vielzahl universeller Werkzeugmodule. Anwender benötigen keine oder nur geringe Programmierkenntnisse, um alle für ein komplexes Projekt erforderlichen Funktionen effektiv umzusetzen. Industrielle Steuerungskonfigurationssoftware integriert Grafik-, Mensch-Maschine-Schnittstellen-, Datenbank-, Steuerungs- sowie Netzwerk- und Kommunikationstechnologien. Dadurch sind Entwickler von Steuerungssystemen nicht auf eine bestimmte Programmiersprache angewiesen, sondern können die Überwachungsprogramme visuell konfigurieren, was die Entwicklung deutlich vereinfacht. Die Software zeichnet sich durch hohe Skalierbarkeit und Kompatibilität aus und ist offen strukturiert, sodass sie verschiedene Datenformate unterstützt. Gleichzeitig ist sie mit einer Vielzahl von Hardwaretypen kompatibel [1]. Dank industrieller Steuerungskonfigurationssoftware ist die Konfigurationsprogrammierung großer industrieller Steuerungssysteme deutlich einfacher geworden, und die Entwicklung komplexer Anwendungsprogramme (wie z. B. I/O-Treiber) entfällt. Zu den Funktionen dieser Software gehören Datenbankgenerierung, Erstellung von Verlaufsdatenbanken, Grafikgenerierung, Berichtserstellung, sequentielle Steuerung und kontinuierliche Anpassung. Zahlreiche industrielle Steuerungskonfigurationssoftwares sind derzeit verfügbar, beispielsweise Intouch, Fix, Citech, WinCC, Controx, Force Control und KingSCADA. IV. Im Folgenden wird ein Konstantdruck-Wasserversorgungssystem anhand eines vereinfachten Beispiels eines Dreipumpen-Systems für die Trinkwasser- und Löschwasserversorgung vorgestellt. Es besteht im Wesentlichen aus einer SPS, einem Frequenzumrichter, einem Drucksensor, einem Pumpenschutzschalter, einem Schütz, einem Zwischenrelais und den Pumpen. Die Systemfunktionen werden über Kontrollleuchten, das Display des TD-200, Tasten und Wahlschalter am Bedienfeld des Schaltschranks gesteuert. Wie in Abbildung 1-1 dargestellt, steuert ein Hoch-/Niedrigwasserstandsregler (EQ) das Wassereinspritzventil YV1 der städtischen Wasserversorgung. Dieser Regler füllt den Wasserspeicher automatisch und füllt Wasser nach, sobald der Wasserstand unter den Maximalpegel fällt. Die Hoch-/Niedrigwasserstandssignale des Speichers werden zur Alarmierung bei niedrigem Wasserstand an die SPS gesendet. Das Drucksignal wird vom am Wasserauslass installierten Ferndrucksensor in ein Standard-4-20-mA-Signal umgewandelt und an die SPS gesendet. Nach der PID-Reglerberechnung wird es mit den vorgegebenen Druckparametern verglichen, um die Stellparameter zu ermitteln, die an den Frequenzumrichter übermittelt werden. Der Frequenzumrichter regelt die Pumpendrehzahl und passt die Wasserzufuhr des Systems an, um den Wasserdruck im Versorgungsnetz auf dem vorgegebenen Wert zu halten. Übersteigt der Wasserverbrauch die Förderleistung einer Pumpe, schaltet die SPS-Steuerung eine weitere Pumpe zu. Die Anzahl der in Betrieb befindlichen Pumpen und deren Drehzahlregelung durch den Frequenzumrichter werden verbrauchsabhängig gesteuert, um eine konstante Wasserversorgung mit konstantem Druck zu gewährleisten. Bei Änderungen der Wasserlast ändern sich Spannung und Frequenz des Eingangsmotors entsprechend, wodurch ein geschlossener Regelkreis auf Basis des Solldrucks entsteht [2]. Um eine unterbrechungsfreie Wasserversorgung sicherzustellen, sind Höhe und Höhenabstand der oberen und unteren Grenzwertsensoren gering. Insgesamt stehen sechs Pumpen für die Trinkwasser- und Löschwasserversorgung zur Verfügung, davon drei Löschpumpen und drei Trinkwasserpumpen. Normalerweise sind die drei Trinkwasserpumpen für die Trinkwasserversorgung zuständig. Bei Auslösung des Feueralarms schalten sich die Trinkwasserpumpen sofort ab, die Löschpumpen starten und werden entsprechend dem Solldruck drehzahlgeregelt. Nach dem Erlöschen des Feueralarms werden die Trinkwasserpumpen wieder in Betrieb genommen. Am Beispiel der elektrischen Steuerung einer Hauswasserversorgungsanlage zeigt Abbildung 1-2 den Hauptschaltplan des zugehörigen Steuerungsteils: Drei Motoren (M1, M2 und M3) sind beteiligt. Die Schütze KM1, KM3 und KM5 steuern den Betrieb der Motoren mit Netzfrequenz; die Schütze KM2, KM4 und KM6 steuern den Betrieb mit variabler Frequenz. FR1, FR2 und FR3 sind thermische Relais zum Überlastschutz der drei Wasserpumpenmotoren. QS1, QS2, QS3 und QS4 sind Trennschalter für den Frequenzumrichter bzw. den Hauptstromkreis der drei Wasserpumpenmotoren. FU1 ist die Sicherung des Hauptstromkreises; VVVF ist ein einfacher Universal-Frequenzumrichter. V. Funktionsprinzip des dualen, tanklosen Wasserversorgungssystems mit konstantem Druck ① Steuerungsprinzip der unteren Maschinenebene Das grundlegende Steuerungsprinzip des Systems zur Regelung der Wasserversorgung mit konstantem Druck ist wie folgt: Ein Drehzahlregler und eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) optimieren die Drehzahlregelung der Pumpen und passen die Anzahl der laufenden Pumpen automatisch an, wodurch eine Regelung des Wasserversorgungsdrucks im geschlossenen Regelkreis erreicht wird. Dies gewährleistet einen stabilen Wasserversorgungsdruck und Energieeinsparungen bei schwankendem Rohrleitungsdurchfluss. Das Regelziel des Systems ist der Ausgangsdruck der Hauptleitung des Pumpwerks. Der Sollwert des Wasserversorgungsdrucks wird mit dem tatsächlichen Rückmeldewert der Hauptleitung verglichen. Die Differenz wird zur Verarbeitung an die CPU übermittelt. Anschließend wird ein Steuerbefehl ausgegeben, um die Anzahl der laufenden Pumpenmotoren und die Drehzahl der Verstellpumpenmotoren zu steuern und so den Hauptwasserversorgungsdruck auf dem Sollwert zu stabilisieren. Aktuell verwenden die in automatischen Wasserversorgungssystemen mit konstantem Druck eingesetzten Drehzahlregler alle Frequenzumrichtertechnologie, während die Steuerung des Systems eine SPS nutzt. Die SPS übernimmt nicht nur die logische Steuerung von Pumpen und Ventilen, sondern auch die digitale PID-Regelung des Systems und ermöglicht so die Echtzeitüberwachung verschiedener Betriebsparameter und Kontrollpunkte. Abbildung 1-3 veranschaulicht das Steuerungsprinzip der zugrundeliegenden Maschine. 2. Überwachungsprinzip des übergeordneten Rechners: Der übergeordnete Rechner ist der üblicherweise verwendete Computer. Er kann das System ebenfalls überwachen, jedoch erst nach der Konfiguration. Dies ist ein Datenaustauschprozess. Hierfür muss die Datenaustauschfunktion der Konfigurationssoftware genutzt werden. Über ein Kabel werden Daten mit der SPS ausgetauscht. Nur so kann die Konfigurationssoftware das System überwachen. Sie kann außerdem Funktionen wie die Anzeige des Systembetriebszustands auf einem Bildschirm, Fehlermeldungen und den Berichtsdruck ausführen. Sie kann das System steuern und verfügt über Echtzeit-Alarm-, Alarm- und historische Datenaufzeichnungsfunktionen. Das automatische Konstantdruck-Wasserversorgungssystem besitzt eine Standard-Kommunikationsschnittstelle und kann mit dem übergeordneten Rechner des städtischen Wasserversorgungssystems vernetzt werden, um eine optimierte Steuerung des städtischen Wasserversorgungssystems zu realisieren. Dies bietet moderne Möglichkeiten für die Planung, Verwaltung, Überwachung und den wirtschaftlichen Betrieb des städtischen Wasserversorgungssystems. Diese Überwachung ist einfacher und leichter verständlich. VI. Konfigurationsprozess des Konstantdruck-Wasserversorgungssystems. Der Konfigurationsprozess von KingSCADA umfasst die Definition von Variablen, die Gestaltung einer einfachen Benutzeroberfläche, die Bearbeitung und Anbindung von Animationen sowie die Programmierung in der Befehlssprache. Diese Prozesse werden im Folgenden beschrieben. ① Variablen definieren: Damit KingSCADA den Status externer Geräte erkennt und Steuersignale ausgibt, müssen entsprechende Variablen definiert werden. Gemäß der E/A-Variablentabelle sind 3 E/A-Eingangsvariablen und 12 E/A-Ausgangsvariablen zu definieren. Zusätzlich müssen einige Speichervariablen definiert werden, damit KingSCADA Daten mit dem S7-200 austauschen kann. Klicken Sie auf den Menüpunkt „Datenbank“ und anschließend im Verzeichnisinhalt auf das Symbol „Neu“, um das Fenster „Variablen definieren“ zu öffnen. Geben Sie auf der Seite „Grundeigenschaften“ den Variablennamen „Wohn-/Feuersteuerungssignal“ ein, legen Sie den Variablentyp auf „Diskretes E/A-Gerät“, das Verbindungsgerät auf „Neues E/A-Gerät“, das Register auf „I0.0“, den Datentyp auf „Bit“, das Lese-/Schreibattribut auf „Schreibgeschützt“ und die Erfassungsfrequenz auf „100 ms“ fest. Siehe Abbildung 1-4. 2. Einfache Bildschirmgestaltung, Bearbeitung und Animationsverbindungen: Benutzer können die verschiedenen Zeichenwerkzeuge und Bibliotheken von KingSCADA umfassend nutzen, um Bildschirme zu erstellen, die den Betriebszustand des Steuerungssystems realistisch darstellen und die Bedienung des Systems über diese Bildschirme ermöglichen. Siehe Abbildung 1-5. Animationsverbindungen stellen die Beziehung zwischen Variablen in den Daten und Elementen in der grafischen Benutzeroberfläche her. Nur durch das Herstellen von Animationsverbindungen können die Variableninformationen in den Daten in der grafischen Benutzeroberfläche dargestellt oder die Variablen über die grafische Benutzeroberfläche gesteuert werden. 3. Befehlssprachenprogrammierung: KingSCADA muss die Feldgeräte während des Betriebs überwachen und Betriebsparameter an die untergeordnete Maschine schreiben. Die spezifischen Steuerungsanforderungen sind wie folgt, und wir erstellen das Anwendungsprogramm entsprechend diesen Anforderungen. Die grundlegenden Anforderungen an ein duales Konstantdruck-Wasserversorgungssystem für Trinkwasser und Löschwasser mit insgesamt sechs Pumpen sind: (1) Das System arbeitet mit einem niedrigen Konstantdruck bei der Trinkwasserversorgung und mit einem hohen Konstantdruck bei der Löschwasserversorgung. Trinkwasser wird über separate Leitungen, Löschwasser über separate Leitungen versorgt. Die beiden Wasserversorgungsarten verwenden unterschiedliche Leitungen. (2) Drei Pumpen werden für Trinkwasser und drei für Löschwasser verwendet, wobei der Druck entsprechend dem jeweiligen Bedarf eingestellt wird. Das Prinzip „Wer zuerst startet, stoppt zuerst“ wird für das Ein- und Ausschalten angewendet. (3) Bei geringem Wasserverbrauch muss, falls die kontinuierliche Betriebsdauer einer Pumpe die eingestellte Schaltzeit überschreitet, auf die nächste Pumpe umgeschaltet werden. Das System verfügt also über eine Pumpenumschaltfunktion, um eine zu lange Betriebsdauer einzelner Pumpen zu vermeiden. (4) Die drei Pumpen müssen beim Anlaufen eine Sanftanlauffunktion besitzen. (5) Es muss eine vollständige Alarmfunktion vorhanden sein. (6) Die Pumpen müssen manuell steuerbar sein. Die manuelle Steuerung ist nur vorübergehend in Notfällen oder während der Fehlersuche vorgesehen. (7) Liegt der Wasserstand unter dem unteren Grenzwert, wird das Warmwasserventil geöffnet, um Wasser aus der städtischen Wasserleitung in den Wassertank fließen zu lassen und diesen zu füllen. (8) Steigt der Wasserstand bis zum oberen Grenzwert, wird das Warmwasserventil geschlossen. (9) Das Warmwasserventil ist erst aktiv, wenn der Wasserstand vom oberen auf den unteren Grenzwert gesunken ist. (10) Das mit KingSCADA entwickelte Überwachungsprogramm kann den Betriebszustand und die Parameter des Systems anzeigen und einstellen, das System steuern und verfügt über Funktionen zur Echtzeit-Alarmaufzeichnung und zur Aufzeichnung historischer Daten. Das darauf basierende Anwendungsprogramm ist in Abbildung 1-6 dargestellt. Nach diesen Schritten ist die Systemkonfiguration im Wesentlichen abgeschlossen, es muss jedoch noch eine Fehlersuche durchgeführt werden. Überprüfen Sie im laufenden KingSCADA-System sorgfältig, ob alle Signale ordnungsgemäß funktionieren. Sollten Anomalien auftreten, analysieren Sie die möglichen Ursachen, wie z. B. fehlerhafte Variableneinstellungen, fehlerhafte Objektparametereinstellungen, fehlerhafte Animationsverbindungen, fehlerhafte Ausdrücke, falsche Befehlssprache usw. Sie können das KingSCADA-System über den Menüpunkt „Bildschirm – Beenden“ oder über „Systemeinstellungen“ beenden. Kehren Sie anschließend zum Projektbrowser oder zum KingSCADA-Entwicklungssystem zurück, nehmen Sie die entsprechenden Änderungen vor und starten Sie das KingSCADA-System erneut zur Überprüfung. Dieser Vorgang muss mehrmals wiederholt werden, um die einwandfreie Funktion des Systems sicherzustellen. VII. Zusammenfassung: In diesem Beitrag wurde die Überwachung eines Konstantdruck-Wasserversorgungssystems mithilfe der KingSCADA-Software realisiert. Das System ermöglicht die automatische Überwachung, die Anzeige und Einstellung des Betriebszustands und der Parameter, die Steuerung des Systems sowie Echtzeit-Alarm-, Alarm- und Verlaufsdatenaufzeichnungsfunktionen. Der Automatisierungsgrad wurde deutlich erhöht, und das System kann den Alltag erheblich erleichtern. Das in diesem Beitrag beschriebene Konstantdruck-Wasserversorgungssystem weist jedoch auch einige Schwächen auf. So kann beispielsweise nicht beliebig eine Wasserpumpe gestartet werden. Dies muss durch Programmierung realisiert werden. Aufgrund meiner begrenzten Kenntnisse habe ich diese Programme nicht geschrieben. Es überwacht lediglich, welche Wasserpumpe gestartet ist.