1. Überblick Niederspannungsschalter und -steuerungssysteme sind entscheidende Komponenten verschiedener Produktionsanlagen und ihrer zugehörigen elektrischen Ausrüstung. Sie verbinden oder trennen Komponenten des Niederspannungsnetzes und steuern den Betrieb elektrischer Geräte. Ihre Leistungsfähigkeit ist daher maßgeblich für den kontinuierlichen und stabilen Betrieb von Produktionsanlagen. Darüber hinaus erfordern die Eigenschaften verschiedener Energieverteilungs- und -übertragungseinrichtungen ein zeitnahes und zuverlässiges Funktionieren bei Prozessstörungen, um die Eskalation von Produktionsunfällen zu verhindern. Lange Zeit blieben jedoch elektrische Betriebsabläufe, Schutzeinstellungen, Geräteüberwachung und Fehlerdiagnose auf einem veralteten Niveau. Sie basierten auf überholten Geräten und manuellen Prozessen und konnten den Anforderungen immer fortschrittlicherer Prozesstechnologien und eines wissenschaftlichen Managements nicht gerecht werden. Daher ist eine Lösung für die elektrische Automatisierung dringend erforderlich. Mit der rasanten Entwicklung der 3C-Technologien (Computer-, Kommunikations- und Elektroniktechnologie) ist dieses Ideal Realität geworden. Der Einsatz von Niederspannungsautomatisierungssystemen hat es der Elektrotechnik grundlegend ermöglicht, ein wissenschaftliches und präzises Prozessmanagement, eine Prozesssteuerung und eine Fehlerdiagnose zu realisieren. Die 120.000-Tonnen-Ionenaustauschmembran-Natronlaugeanlage ist ein Projekt des Neunten Fünfjahresplans, in das Jinhua 800 Millionen Yuan investiert hat. Die gesamte Prozesstechnologie und Ausrüstung wurde von Asahi Glass Co., Ltd. aus Japan geliefert. Obwohl die elektrischen Komponenten aus Japan stammen, erforderten der komplexe Produktionsprozess und die hohen technischen Anforderungen die Integration von Niederspannungs-Automatisierungstechnik in das elektrische Steuerungssystem. Dies führte zur Entwicklung und Realisierung des ersten in Japan hergestellten vernetzten Niederspannungs-Automatisierungssystems. Durch die nahtlose Integration der elektrischen Komponenten mit den SPS-Prozesssteuerungsgeräten über ein Mikrocomputersystem können die Bediener elektrische Schalter und Steuergeräte vom zentralen Kontrollraum aus fernsteuern, Messwerte erfassen, Alarme auslösen, Sollwerte ändern und Hintergrundprozesse programmieren. Zusammen mit dem instrumentenspezifischen Prozessleitsystem (DCS) bildet dies ein modernes, vollständiges Prozessleitsystem, das die Automatisierung des Produktionsprozesses der Anlage ermöglicht. 2. Gesamtkonzept: Diese Anlage verfügt über vier Niederspannungsverteilerräume mit elf Niederspannungsschaltern mit hoher Kapazität, die über 200 wichtige Anlagenteile steuern. Dazu gehören Umwälzpumpen, Kältemaschinen, Wasserstoff- und Chlorkompressoren für Prozesse wie Rektifikationselektrolyse, Chlorierung/Wasserstoffbehandlung, Umwälzkälte und Soleaufbereitung. Das Elektrotechnikteam ist außerdem für das SPS-gesteuerte Salzlager-Steuerungssystem S7-300 verantwortlich, das die Lagerung und den Transport von Rohsalz regelt. Dieses System besteht aus einem Netzteil, einer CPU, A/I-, A/O-, D/I- und D/O-Modulen sowie einem Touchscreen. Für die Prozesssteuerung eines so komplexen Systems reichen intelligente Schalter und die Überwachung vor Ort allein nicht aus. Moderne Netzwerkkommunikationstechnologie und zuverlässige Automatisierungssoftware für Niederspannungssysteme sind unerlässlich. Die effektive Integration herkömmlicher intelligenter Komponenten mit einem Mikrocomputersystem über Industrial Ethernet ist entscheidend für eine wirklich zentrale und einheitliche Steuerung des Automatisierungssystems. Die intelligenten Komponenten eines Niederspannungsautomatisierungssystems müssen nicht nur verschiedene Automatisierungsteile miteinander verbinden, sondern auch eine gemeinsame Softwareumgebung bereitstellen, die alle Komponenten und Aufgaben in einem einzigen System integriert. Nach Gesprächen mit relevanten Unternehmen entschieden wir uns schließlich für den intelligenten Niederspannungs-Leistungsschalter 3WN6 von Siemens, die SPS S7-300 und die Niederspannungs-Systemautomatisierungssoftware. Der intelligente Niederspannungs-Leistungsschalter 3WN6 bildet das Herzstück der Niederspannungs-Systemautomatisierung. Er bietet nicht nur den Überstrom-, Kurzschluss-, Unterspannungs- und Überspannungsschutz herkömmlicher Schalter, sondern ermöglicht dank seines eigenen Mikrocontrollers auch die Vor-Ort-Parametereinstellung, die Anzeige von Alarmen und die Fehlerprotokollierung über ein LCD-Display. Sämtliche Aufgaben der Stromverteilung und -steuerung für alle Prozesse werden vom Schalter 3WN6 übernommen. Darüber hinaus ist die SIMATIC S7-300 SPS ein komplettes Automatisierungssteuergerät. Trotz ihrer kompakten Bauweise bietet sie einen hohen Funktionsumfang. Unter der Steuerung der CPU und der STEP 7-Software arbeiten über 280 A/I-, A/O-, D/I- und D/O-Ein-/Ausgänge koordiniert zusammen, um die elektrische Automatisierung aller Prozesse der Rohsalzlagerung und des Transports zu realisieren – vom Entladen über das Beladen und die automatische Radlagerung bis hin zum Entladen. Über das fortschrittliche PROFIBUS-Feldbussystem werden mittels eines einzigen Kommunikationskabels (geschirmtes Twisted-Pair-Kabel) und einer RS485-Schnittstelle die DP/3WN6-Schnittstelle des intelligenten Niederspannungs-Leistungsschalters 3WN6 und die MPI-Schnittstelle der SPS S7-300 nahtlos integriert. Die zentrale und einheitliche Steuerung durch die Hintergrundsoftware gewährleistet die Automatisierung des Niederdrucksystems der gesamten Chloralkali-Anlage. 3 Systemkonfiguration (1) Mikro-Industrie-Steuerungsrechner für die Hintergrundsteuerung 1 Stück (2) Siemens 3WN6 Niederspannungs-Leistungsschalter 400 V/3200 A 2 Stück, 400 V/1600 A 2 Stück, 400 V/1250 A 5 Stück, 400 V/1000 A 2 Stück (3) Kommunikationsschnittstelle DP/3WN6 11 Stück (4) Netzwerkkarte CP5412 1 Stück (5) Systemsoftware SIMATIC WinCC 1 Satz, Win3WN6 1 Satz, SICAM LCC 1 Satz, SIMATIC STEP 7, Protool (6) SPS S7-300 1 Satz 4. Merkmale und Funktionen der Automatisierungsgeräte und -systeme (1) Merkmale des intelligenten Niederspannungs-Leistungsschalters 3WN6: Der 3WN6 ist ein wirtschaftlicher intelligenter Niederspannungs-Leistungsschalter. Dank seines modularen Aufbaus sind die Kommunikations-, Schutz- und Messfunktionen stabiler und zuverlässiger. Zudem ist er leicht zu demontieren und zu warten. Alle Schaltfunktionen lassen sich digital online bearbeiten. Nach der Netzwerkanbindung sind Telemetrie, Fernsteuerung und schnelle Fehlerdiagnose komfortabel möglich. Auch die Fernänderung von Sollwerten und die Energiesteuerung sind realisierbar. Dadurch werden unnötige Wartungs- und Inspektionsarbeiten vermieden und die Ausfallzeiten der Produktionsanlagen reduziert. (2) Merkmale des SPS-Systems: Im Normalbetrieb können die Bediener im Rohsalz-Kontrollraum mit dem S7-300-System den Prozess simulieren und die Tasten am Schaltschrank bedienen, um Prozessablauf, Materialfluss und Anlagenbetrieb des Rohsalzprozesses zu verstehen. Die Anlagen lassen sich automatisch oder manuell per Touch-Steuerung starten und stoppen, was die Wartung und die Störungsbehebung vereinfacht. Nach der Netzwerkanbindung ermöglicht das System die Online-Konfiguration im Hintergrund, die Vor-Ort-Überwachung und die Fernsteuerung. (3) Merkmale der Automatisierungssoftware: Die Industriesoftware von Siemens setzt weltweit Maßstäbe für Automatisierungsprojekte. Dieses Gerät nutzt Überwachungssoftware für die vollintegrierte Automatisierung – SIMATIC WinCC –, die Niederspannungs-Leistungsschalter-Steuerungssoftware WinCC, SICAM LCC, die Konfigurations-, Programmier- und Projektmanagementsoftware für S7-300-SPS-Produkte – SIMATIC STEP 7 – sowie die Touchscreen-Programmiersoftware Protool. Die gesamte Software basiert auf der weltweit stabilsten Windows 98- oder NT-Betriebssystemplattform und bietet echte 32-Bit-Multithreading-, Mehrbenutzer- und Multitasking-Fähigkeit. Innerhalb des definierten Hardwarebereichs können Anwender verschiedene Systemvariablen und Steuerungsparameter ändern sowie das System online konfigurieren. Im Gegensatz zu anderen Softwarepaketen unterstützt SIMATIC WinCC symmetrische Multiprozessorsysteme, sodass Anwenderanwendungen deren Vorteile voll ausschöpfen können. Moderne Industrieanwendungen profitieren zudem von objektbezogenen grafischen Editoren, Alarmarchiven und Informationseditoren, Variablenarchiv-Editoren, Variablen-Tag-Managern und weiteren Systemwerkzeugen, die sich durch Konnektivität, Offenheit, einfache Hardwarenutzung und hohe Managementsicherheit auszeichnen. Die Win3WN6-Software bietet alle Funktionen zur Steuerung und Überwachung des Leistungsschalters 3WN6. Win3WN6 kommuniziert über PROFIBUS-DP mit dem Leistungsschalter und ermöglicht so die komfortable Beobachtung des Betriebszustands und der Auslösesignale, die Bedienung (passwortgeschützt), die Beobachtung von Betriebsparametern (z. B. Phasenstrom) sowie die komfortable Einstellung von Schutzparametern (passwortgeschützt). SICAM LCC ist eine visuelle Programmiersoftware für Niederspannungssysteme. Anwender können damit schnell und einfach visuelle Bedienoberflächen für 3WN6-Leistungsschalter erstellen. Diese ermöglichen die Anzeige von Schaltplänen und wichtigen Informationen des elektrischen Systems, die Darstellung und Analyse von Messwerten und Berechnungen, die Anzeige von Strom- und Spannungskennlinien, die Fernsteuerung von Geräten zum Öffnen/Schließen, die Anzeige von Fehleralarmlisten und den Ausdruck von Dokumenten. SIMATIC STEP 7 bietet die Programmiersprachen Funktionsbausteindiagramm (FBD) und Kontaktplan (LADDER) mit einem umfangreichen Befehlssatz. Die Programmierung erfolgt einfach, komfortabel und benutzerfreundlich, unabhängig davon, ob das Programmiergerät direkt an die MPI-Schnittstelle der CPU angeschlossen oder über PROFIBUS Ethernet programmiert wird. Integrierte Test- und Diagnosefunktionen gewährleisten eine schnelle Reaktion der Techniker bei Systemproblemen. Die ProTool-Software ermöglicht die einfache Entwicklung von Bildschirmanwendungen, die Darstellung von Schaltplänen im Zentrum von Bedienfeldern, die Bearbeitung von Touchscreen-Prozessablaufdiagrammen, die Start-/Stopp-Steuerung von Anlagen und die Offline-Fehlerbehebung einzelner Einheiten vor Ort. (4) Hauptfunktionen und Leistungsindikatoren des Gesamtsystems: Nach der Vernetzung des Systems können die Bediener den Öffnungs-/Schließzustand der Niederspannungsschalter in jedem Verteilerraum auf dem Hintergrund-Mikrocomputer überwachen, Spannungs- und Stromschwankungen dynamisch anzeigen, Ereignisse und Alarmmeldungen jederzeit protokollieren und den Betriebszustand der gesamten Chloralkali-Anlage erfassen. Dank der Multi-CPU-Hardwarestruktur bietet das Gesamtsystem eine hohe Echtzeitfähigkeit, schnelle Reaktionszeiten bei Datenänderungen, eine SOE-Auflösung von ≤ 2 ms, eine Reaktionszeit von ≤ 2 s für Fernsignaländerungen, eine abgeschlossene Fernsteuerungsabwicklung in ≤ 6 s und eine Bildschirmreaktionszeit von 1–3 s. Darüber hinaus bieten Ereignisalarme, Grenzwertüberschreitungsmeldungen, Alarmsequenzanzeige, Verlaufskurven, Betriebsberichtabfrage und eine leistungsstarke Druckfunktion hohen Komfort für das tägliche Produktionsmanagement und die Unfallanalyse. 5. Praxisbeispiel: Dank der technischen Unterstützung des Schalterherstellers und von Siemens konnte die Netzwerkinstallation des Niederspannungsautomatisierungssystems der Chloralkali-Anlage in Jinhua sowie die Inbetriebnahme der Hintergrundsoftware innerhalb nur eines Monats nach der Inbetriebnahme des SPS-Systems abgeschlossen werden. Seit der vollständigen Inbetriebnahme im September 2002 läuft das System stabil und erzielt Regelungseffekte, die mit herkömmlichen Leistungsregelungsmethoden nicht möglich sind. Bei mehreren Prozessstillständen arbeiteten alle elektrischen Geräte schnell und präzise und protokollierten automatisch den Schalterstatus, die Zeit und die Abfolge der Aktionen. Zusammen mit dem DCS-Überwachungssystem bildete dies eine wissenschaftliche Grundlage für die Verfahrenstechniker, um die Ursachen von Störungen schnell zu identifizieren und den Anlagenbetrieb wiederherzustellen. Dies entlastete die Mitarbeiter nicht nur von mühsamen manuellen Tätigkeiten und reduzierte die Häufigkeit von durch Menschen verursachten Unfällen, sondern vereinfachte und beschleunigte auch die Systemwartung und -fehlersuche und ermöglichte so ein wirklich wissenschaftliches Niederspannungsmanagement. Das System wurde von Betriebs-, Wartungs- und Technikpersonal positiv aufgenommen. Obwohl die Bediensprache Englisch ist und daher ein hohes Maß an Fachkenntnissen erfordert, stellt es insgesamt eine umfassende Automatisierungslösung für Niederspannungssysteme dar und ist insbesondere für Fertigungsunternehmen mit hohen Anforderungen an die industrielle Automatisierung empfehlenswert. Autor: Fakultät für Elektrotechnik, Bohai Shipbuilding College, Adresse: Wanghai Straße 125005, Bezirk Longgang, Stadt Huludao, Provinz Liaoning, China. E-Mail: [email protected]