Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt das SPS-Steuerungssystem der AC500-Serie und sein dreistufiges, verteiltes automatisches Steuerungssystem für die Abwasserbehandlung vor. Systemaufbau, Funktionen und Hauptmerkmale werden erläutert und die Anwendung in der SBR-Abwasserbehandlung diskutiert. Schlüsselwörter: Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS); Steuerungssystem; Abwasserbehandlung. I. Einleitung: Nach der Übernahme von Bailey integrierte ABB mehrere seiner Steuerungssysteme in das Steuerungssystem der 800XA-Serie, das auf industrieller IT basiert und auf spezifische Technologien ausgerichtet ist. Neben der Bereitstellung von Gesamtlösungen für chinesische Branchen wie Energie, Metallurgie, Petrochemie und Papierherstellung hat ABB in China das AC31 eingeführt, ein Steuerungssystem für kleine bis mittelgroße Anlagen mit über zehnjähriger Entwicklungsgeschichte. Aktuell ist die fortschrittlichere AC500-Serie erhältlich, die mehr Möglichkeiten für die Systemintegration und OEM-Anwendungen in China bietet. Dieser Artikel stellt dieses System und seine Anwendung in der Abwasserbehandlung vor. II. Einführung in das AC500-Steuerungssystem: Das AC500-System besteht aus einer CPU, einem Kommunikationsmodul, einer CPU-Basisplatine, E/A-Modulen und Klemmenleisten, einem FBP-Schnittstellenmodul und Klemmenleisten sowie der CPU-Basisplatine (siehe Abbildung 1). Die CPU ist in drei Ausführungen erhältlich: PM571, PM581 und PM591. Alle Modelle verfügen über ein LCD-Display, Bedientasten, einen SD-Kartensteckplatz und zwei integrierte serielle Schnittstellen. Die CPU kann direkt auf die CPU-Basisplatine gesteckt werden, die optional mit einer integrierten Ethernet- oder ARCNET-Netzwerkschnittstelle ausgestattet werden kann. Die CS31-Kommunikationsschnittstelle bleibt erhalten, um die Kompatibilität mit anderen ABB-SPS-Serien wie der AC31 zu gewährleisten. Zusätzlich zur in die CPU integrierten Kommunikationsschnittstelle kann jede CPU mit bis zu vier weiteren Kommunikationsschnittstellen erweitert werden. Diese vier Schnittstellen unterstützen beliebige Standard-Busprotokolle. Neben den beiden in die CPU integrierten Modbus-Kommunikationsschnittstellen und der optionalen integrierten Ethernet- oder ARCNET-Netzwerkschnittstelle unterstützen Erweiterungsschnittstellen weitere Busschnittstellen wie Profibus DP-V1, DeviceNet, CANopen und Ethernet. Die E/A-Module sind als analoge und digitale Ein-/Ausgabemodule verfügbar. Jedes Modul kann direkt an eine Klemmenleiste angeschlossen werden. Bis zu sieben E/A-Module lassen sich lokal auf der CPU und über verteilte Erweiterungsstationen via FBP erweitern. Die AC500 bietet zudem anpassbare digitale E/A-Module, die je nach Bedarf als Ein- und Ausgang konfiguriert werden können. FBP-Schnittstellenmodul: Dieses Modul integriert mehrere digitale Ein-/Ausgänge und ermöglicht die Kommunikation mit der CPU und verteilten E/A-Schnittstellen. Dieses Modul kann mit bis zu sieben weiteren E/A-Modulen erweitert werden. AC500 Control Builder-Programmierung: Der AC500 Control Builder ist ein Engineering-Tool zur Programmierung aller CPUs der AC500-Serie. Diese Software entspricht dem internationalen Standard IEC 61131-3 und unterstützt fünf verschiedene Programmiersprachen: Funktionsbausteine ​​(FBD), Anweisungslisten (IL), Kontaktpläne (LD), Strukturierter Text (ST) und Sequenzielle Kontrollkarten (SFC). Sie ermöglicht die vollständige Konfiguration des AC500-Systems, einschließlich aller Busschnittstellen, und bietet umfassende Selbstdiagnosefunktionen, Alarmbehandlung, visuelle Debugging-Tools und offene Datenschnittstellen. Zusätzlich bietet sie Offline-Simulation, Variablenverfolgung, Rezepturverwaltung und Überwachungslisten, visuelle Debugging-Tools, Einstellungen für Kommunikationsschnittstellen, eine offene Datenschnittstelle und eine Engineering-Schnittstelle. III. Einführung in das SBR-Abwasserbehandlungsverfahren: Das Sequencing Batch Reactor (SBR)-Verfahren stellt eine Weiterentwicklung des früheren Füll- und Entleerungsreaktors dar. Dank verbesserter Automatisierungstechnik hat das SBR-Verfahren erneut an Bedeutung gewonnen und wurde intensiv erforscht und optimiert. Seit der Inbetriebnahme der ersten SBR-Anlage in China im Jahr 1985 wird es in der Behandlung von Industrie- und Kommunalabwasser weit verbreitet eingesetzt. Der grundlegende Betriebsablauf des SBR-Verfahrens besteht aus fünf Basisprozessen: Zulauf, Reaktion, Sedimentation, Ablauf und Ruhephase. Der gesamte Zyklus vom Abwasserzulauf bis zum Ende der Ruhephase bildet einen Zyklus. In jedem Zyklus werden die genannten Prozesse nacheinander in einem Reaktor mit Belüftungs- oder Rührvorrichtung durchgeführt. Abbildung 2 zeigt das Fließschema des SBR-Abwasserbehandlungsprozesses. Das SBR-System ist einfach aufgebaut (siehe Abbildung 2), verfügt über kein Nachklärbecken, der Belüftungsbehälter dient gleichzeitig als Nachklärbecken, und es gibt keine Schlammrückführung. SBR zeichnet sich durch hohe Effizienz, ausgezeichnete Dehydrierung und Phosphorentfernung, hohe Widerstandsfähigkeit gegen Blähschlamm, Stoßbelastungsresistenz und hohe Behandlungskapazität aus. IV. Spezifische Implementierung des AC500 in der SBR-Steuerung: Das automatische Steuerungssystem einer SBR-Kläranlage besteht aus einem dreistufigen verteilten Steuerungssystem (siehe Abbildung 3). Abbildung 3: Schema des Abwasserbehandlungs-Steuerungssystems. Die erste Ebene – Überwachung und Management – ​​wird von der Bedienerstation im zentralen Kontrollraum realisiert. Ein Industrie-PC kommuniziert über TCP/IP-Industrial-Ethernet mit der SPS-Steuerung für die zentrale Steuerung. Die Steuerungssoftware überwacht in Echtzeit Änderungen der Prozessparameter, den Anlagenbetrieb und Störungen im gesamten Werk. Zudem übernimmt sie den Druck von Tagesberichten und Störungsmeldungen sowie die Datenerfassung. Die zweite Ebene – Prozesssteuerung – wird durch die Steuerungssysteme verschiedener Teilsysteme oder kompletter Anlagen vor Ort realisiert. Die AC500-SPS bildet das Herzstück der Vor-Ort-Steuerung. Die Unterstationen sind entsprechend dem Anlagenbereich konfiguriert. Parameter wie Durchflussrate, Flüssigkeitsstand, pH-Wert und Motorleistung werden über die CS31-Netzwerkkommunikation mit den entsprechenden verteilten E/A-Schnittstellen erfasst und gesteuert. Die dritte Ebene – die lokale Steuerung einzelner Maschinen – wird durch das elektrische Steuerungssystem vor Ort realisiert. Dieses System nutzt Produkte der ABB-AC31-Serie für die verteilte E/A-Anbindung, erfasst Feldparameter und führt Steuerbefehle der übergeordneten SPS-Masterstation aus. Aufgrund der zahlreichen und weit verstreuten Steuerungsobjekte und der komplexen Produktionsprozesse in der Abwasserbehandlung würde ein zentralisierter Steuerungsansatz eine große Anzahl von Leitungen erfordern, wodurch die Fernübertragung sehr störungsanfällig wäre. Daher verwendet dieses System ein verteiltes Steuerungssystem, das Management und Steuerung trennt. Der verwendete Computer ist ein HP Industrie-PC mit vorinstallierter MCGS-Software (Version 5.5) von Beijing Kunlun Tongtai. Die Konfiguration der MCGS-Überwachung umfasst die Gestaltung der Überwachungsschnittstelle, die Definition von Datenvariablen, die Konfiguration und die Animation. Grafische Blöcke werden mithilfe der von MCGS bereitgestellten Zeichenwerkzeuge und der Komponentenbibliothek erstellt und konfiguriert. Die Prozessablaufdiagramm-Konfiguration der Abwasserbehandlungsanlage ist in Abbildung 4 dargestellt: Abbildung 4: Prozessablaufdiagramm der Abwasserbehandlung. Der Betriebszustand von Gebläse, Pumpe und Ventilen wird in Echtzeit animiert dargestellt; die Fließrichtung von Abwasser, Schlamm, Chemikalien und Luft sowie die Daten des Durchflussmessers werden entsprechend den Feldbedingungen aktualisiert. Nach der Anmeldung und Eingabe von Benutzername und Passwort haben die Bediener Zugriff auf verschiedene Prozessdiagramme, Betriebstabellen, Einstelltabellen und Steuerungstabellen. Die Prozessdiagramme stellen den Prozessablauf und die Daten für jeden Abschnitt grafisch dar. Die Bediener können die entsprechenden Feldparameter direkt entsprechend den Steuerungsanforderungen einstellen (z. B. den konstanten Wasserstand, den Alarmwasserstand, den Pumpenstoppwasserstand und die Schlammabfuhrzeit für den Frequenzumrichter der Pumpstation). Zusätzlich bietet das System Funktionen wie die Abfrage von Fehlermeldungen und die Erstellung von Arbeitsberichten. Die Echtzeitdatenbank in MCGS ist das Herzstück des Überwachungssystems. Die Datenvariablen bilden die Basiseinheiten der Echtzeitdatenbank. Durch die Verknüpfung der grafischen Objekte in der Benutzeroberfläche mit den Datenvariablen in der Echtzeitdatenbank kann der Betriebszustand des Feldes in Echtzeit animiert auf der Überwachungsoberfläche dargestellt werden. Der Industrie-Steuerungsrechner benötigt lediglich eine Standard-Netzwerkkarte, um Daten von der SPS-Masterstation über Ethernet LAN zu empfangen. Die SPS-Masterstation besteht aus einer SPS der Serie AC500 und den zugehörigen Peripheriegeräten und befindet sich im zentralen Kontrollraum. Die SPS-Masterstation empfängt Daten von den verteilten E/A-Schnittstellen, verarbeitet und steuert diese und überträgt sie gleichzeitig über ein standardmäßiges industrielles Ethernet-TCP/IP-Kommunikationsmodul (TB521-ETH) mit einer Übertragungsrate von 10 Mbit/s mittels geschirmtem Twisted-Pair-Kabel an den industriellen Steuerungsrechner. Das Kommunikationsnetzwerk zwischen der SPS-Masterstation und den verteilten E/A-Schnittstellen ist in Abbildung 5 dargestellt: Abbildung 5 – Kommunikationsnetzwerkdiagramm CS31. Die SPS-Masterstation bildet über die CS31-Kommunikationsschnittstelle und den auf der CPU (PM581) reservierten CS31-Kommunikationsbus ein Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsnetzwerk mit den verteilten E/A-Schnittstellen (AC31-Fernerweiterungsmodul). Sie erfasst kontinuierlich den Betriebszustand und Fehlerinformationen der Feldgeräte und lädt diese zur verteilten Steuerung an den industriellen Steuerungsrechner hoch. Das System verfügt über insgesamt acht verteilte E/A-Schnittstellen. Aus wirtschaftlicher Sicht werden die verteilten E/A-Schnittstellen 1 bis 8 des AC500-Systems, da dieses mit dem AC31-Fernerweiterungsmodul kompatibel ist, mithilfe des AC31-Fernerweiterungsmoduls (ICMK14 N1-24DC) ausgewählt. Die verteilten E/A-Schnittstellen befinden sich am Kläranlagen-Kontrollpunkt und steuern die zugehörigen Geräte lokal, wodurch eine verteilte Steuerungsfunktion entsteht. Sie erfassen außerdem Betriebszustands- und Fehlerinformationen von den Feldgeräten und sind über einen CS31-Bus mit der SPS-Masterstation verbunden. Der CS31-Bus ist ein serielles RS485-Kommunikationssystem für Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindungen. Jedes Kommunikationssystem besteht aus einer Masterstation und maximal 31 Slavestationen. Die maximale Kommunikationsreichweite beträgt 500 Meter ohne Repeater und 2000 Meter mit Repeatern. Als Übertragungsmedium dient ein geschirmtes Twisted-Pair-Kabel. Am Beispiel des verteilten E/A-Fernerweiterungsmoduls Nr. 1 lässt sich dessen Adresstabelle wie in Tabelle 1 dargestellt definieren: Die Adressen %MX0.0.0 bis %MX0.0.7 sind reservierte Bereiche im ICMK14N1-M-System und können nicht verwendet werden. Die Adressen %MX0.1.0 bis %MX0.1.7 sind die integrierten Schalteingänge dieses Fernerweiterungsmoduls und entsprechen den jeweiligen Geräten im Zulaufpumpenraum bzw. im Sandfang. Auf dieselbe Weise können Sie die digitalen und analogen Ein-/Ausgabemodule (XI16E1, XC32L, HE10-20 usw.) für das verteilte E/A-Modul Nr. 1 und anschließend alle Module für die verteilten E/A-Module Nr. 2 bis Nr. 8 nacheinander definieren. Nach der Konfiguration aller E/A-Adresstabellen können Sie mit der Software AC500 Control Builder das interne Kommunikationsprogramm der SPS schreiben. Da die Software AC500 Control Builder vorgefertigte MODBUS-Funktionsbausteine ​​bereitstellt, ist die Programmierung sehr einfach. Am Beispiel des Lesebefehls für die verteilte E/A #1 (siehe Abbildung 6: AC500-Programmdiagramm) lässt sich dies verdeutlichen. Durch einfaches Einstellen der Parameter des MODBUS-Funktionsbausteins (COM, SLAVE, FCT, ADDR, NB usw.) kann die SPS-Masterstation Daten von der Substation der verteilten E/A #1 lesen. Die Parameter FCT und NB können anhand der in Tabelle 2 angegebenen Gegebenheiten bestimmt werden. Durch die sequentielle Programmierung der Lese- und Schreibbefehle für die verteilten E/A #1 bis #8 mithilfe der MODBUS-Funktionsbausteine ​​wird die Kommunikation zwischen der SPS-Masterstation und den verteilten E/A hergestellt. Bei der Fehlersuche zeigte sich, dass die MODBUS-Parameter in der SPS-Software wie folgt konfiguriert werden müssen: RTS-Steuerung auf „Telegramm“, Parität auf „Keine“ und Betriebsmodus auf „Master“. Anschließend kann die SPS-Masterstation verschiedene Parameter von den E/A-Slave-Stationen erfassen und steuern und diese über Ethernet auf der Überwachungsschnittstelle des Industrie-PCs anzeigen. V. Fazit. Basierend auf den Forschungsergebnissen dieser Arbeit wurde die technische Lösung in einer kommunalen Kläranlage in der Provinz Zhejiang implementiert. Die Betriebsergebnisse zeigen, dass das System durchdacht, sicher und zuverlässig ist, eine hohe Regelgenauigkeit aufweist, die Produktionsanforderungen erfüllt und ein hohes Kosten-Nutzen-Verhältnis bietet. Neben seinem ansprechenden Design, der zuverlässigen Leistung und dem günstigen Preis bietet das AC500-SPS-System folgende Vorteile für die Projektumsetzung: Konfigurierbare digitale Ein-/Ausgangsmodule erleichtern die Einrichtung von Backup-Punkten und reduzieren die Kosten zusätzlich. Jeder analoge Eingangskanal kann mit Strom-, Spannungs- oder RTD-Eingangssignalen konfiguriert werden, was die Bedienung vereinfacht. Der integrierte MODBUS-Funktionsblock in der Programmiersoftware ist äußerst praktisch und benutzerfreundlich und spart Programmierzeit. Darüber hinaus können CS31-Busverbindungen mit herkömmlichen geschirmten Twisted-Pair-Kabeln realisiert werden, was einen kostengünstigen, flexiblen und einfachen Betrieb ermöglicht.