Automatisieren, überwachen und steuern von zentralen Verpressanlagen mittels einer IEC-61131 konformen Steuerung und Simatic WinCC

Diplomarbeit von Lukas Jansen

Einleitung:

Die letzten vierzig Jahre Technikgeschichte sind geprägt, von der zunehmenden Tendenz der Automatisierung und Verlagerung von Intelligenz aus der Prozessleitebene in die Steuerungsebene. Diesem Trend ist ebenso die RAG und der deutsche Steinkohlenbergbau unterworfen. Im Steinkohlenbergbau werden immer mehr Schützschaltungen und S5-Anlagen durch leistungsfähige Industrie-Computer ersetzt. Die IPCs in Verbindung mit universell einsetzbarer Bustechnik erhöhen die Funktionalität und Verfügbarkeit der Anlagen. Die Anlagen können über ein Leitsystem überwacht, gesteuert und diagnostiziert werden. Diese Möglichkeiten senken Arbeitskosten und helfen Anlagenfehler schneller zu finden und beheben.

Seit Frühjahr 2008 Jahr werden die zentralen Injektionspumpen der Firma Minova CarboTech mit der neusten IPC Generation ausgerüstet. Die neue IPC Generation ist nicht uneingeschränkt kompatibel zur alten, deshalb wurde die Entscheidung getroffen, für alle Bergwerke eine standardisierte einheitliche Software und Visualisierung zu erstellen. Die zentralen Verpressanlagen werden ausschließlich genutzt, um zwei Komponenten Harze unter hohem Druck in Gesteins- und Mineralschichten zu injizieren. Kunstharze und mineralische Baustoffe werden seit 3 Jahrzehnten verwendet, um den Gebirgsverbund zu stabilisieren und die Grubenbaue zu entlasten. Loses herabfallendes Nebengestein und Mineral am First des Strebs sind eine erhebliche Gefährdung von Mensch und Maschine und können zu Produktionsstörungen führen. Diese sogenannten Sicherungsinjektionen verhindern das Herabstürzen von losem Gestein und Mineral, indem Risse und Klüfte verfüllt und verklebt werden. Sicherungsinjektionen werden immer wichtiger, um ein sicheres Arbeiten unter Tage zu gewährleisten und um die höhere gebirgsmechanische Belastung der Grubenräume zu kompensieren. Die Grubenräume sind stärker belastet, durch den stetigen Teufenzuwachs und den wachsenden Durchbauungsgrad der deutschen Lagerstätte. Die Konzentration auf wenige Hochleistungsabbaubetriebe, die einen störungsfreien Betrieb mit einer geringeren Ausbauzeit an den Strebstreckenübergängen erfordern, stellen hohe Ansprüche an die Injektionstechnik.

Das Thema dieser Diplomarbeit ist das Automatisieren, Überwachen und Steuern von einer zentralen Verpressanlage mittels einer IEC-61131 konformen Steuerung und Simatic WinCC. Aufgabe dieser Diplomarbeit ist, die bestehende Steuerung für die Harzverpressanlagen zu optimieren und dokumentieren. Die neue Software soll als Standard bei allen zentralen und dezentralen Anlagen eingesetzt werden. Des Weiteren ist eine benutzerfreundliche Visualisierung mittels WinCC zu erstellen, die den Prozess visualisiert und somit die Bedienung und Auswertung erleichtert. Die bestehenden Anlagen sollen mit einer Durchflussmessung erweitert werden, dazu ist ein passendes Messverfahren und Messgerät zu ermitteln. Dazu werden im Rahmen dieser Arbeit die Entwicklungen der Injektion und das Injektionsverfahren beschrieben. Aus dieser Beschreibung werden die Anforderungen an die Anlage und die Steuerung ermittelt, dazu wird der Anlagenaufbau erläutert und aus dem Pflichtenheft die Steuerung und Visualisierung erstellt. Die Steuerung und die Visualisierung werden erklärt. Abschließend wird die Software und Anlange um eine Volumenstrommessung erweitert, die den Harzverbrauch der zentralen Anlage ermitteln soll. Im Fazit werden Möglichkeiten zur weiteren Verbesserung und Erweiterung der Anlage gegeben.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 5.6, Die Feldbusinitialisierung:

Die folgenden drei POEs dienen der Promosbus Initialisierung und Konfiguration. Es werden die beiden Feldbuslinien aufgerufen und parametriert. Die reale Verdrahtung spielt bei der weiteren Programmierung eine Rolle, da die einzelnen Busankoppler konfiguriert, die angeschlossenen Komponenten eingelesen und die vorhanden Notausschalter aufgerufen werden müssen. Die Buskomponenten werden nach ihrer physikalischen Lage im Bus aufgerufen und eingestellt. Die Variablennamen sollten so gewählt werden, dass sie die angeschlossen Komponenten abbilden und somit das Programm lesbarer wird.

Promos_AST0:

Der Ast 0 besteht aus drei ‘PP 4110 AT’ Vierfachadaptern, einem ‘PP 5010 AT’ Koppelschalter und einem ‘PE 6000’ Astendglied. Die POE Promos_AST0 besteht aus mehreren Code-Arbeitsblättern, die helfen die POE zu strukturieren, indem die verschieden Aufgaben voneinander getrennt werden.

Befehle:

Dient dem seriellen Aufruf der Äste. Es soll immer nur ein Ast pro Zyklus aufgerufen werden, im nächsten Zyklus dann der nächste Ast und das während der ganzen Programmlaufzeit. Das serielle Abarbeiten ist nützlich, um die Zykluszeit erheblich zu verkürzen. Der zweite Bestandteil ist eine WORDTO16Bit Operation. Das Steuerwort von Übertage wird in Bits zerlegt, die dann gezielt einer Variablen zugeordnet werden können, beispielsweise dem Restart des Astes.

Parameter_Ast0:

Hier werden Überwachungs- und Brückparameter übergeben. Brückparameter werden verwendet um defekte oder nicht benötigte Baugruppen zu überbrücken. Programmbesonderheit: Schreiben in Variablen von links nach rechts, im Gegensatz zur Handhabung bei strukturiertem Text.

Variablenuebergabe:

Variablenübergabe an die Busankoppler und den Koppelschalter von denen im Folgenden benannten Komponenten. Die Schütze werden nicht direkt durch den IPC angesteuert, sondern aus Sicherheitsgründen durch einen Sichheitskreiskoppelschalter. Die zwei der Kompaktstation verbaute Schütze werden auf Ansteuerung, Redundanz und Steuerspannung von einem Koppelschalter überwacht. In unserem Fall werden zwei Schütze überwacht. Fehler bei der Redundanz und Spannungsüberwachung werden als Variablen an das Programm übergeben. Im Fehlerfall wird vom Programm der Anlagenanlauf verhindert. Der erste Busankoppler ist nur mit dem Koppelschalter belegt, von jedem Ankoppler werden die Eingangs- und Ausgangsdaten aus der Struktur T_PP4110 gelesen und gegebenenfalls geändert wieder reingeschrieben. Der zweite Vierfachadapter ist belegt mit dem Ein/Austaster, dem Betriebsartenwahlschalter, dem Ventil für die Weiÿkomponente und dem Füllstandssensor für Weiÿ. Es werden die Ausgangsvariablen für den Einzelbetrieb oder Reparaturbetrieb und für das Magnetventil der Weiÿseite übermittelt. Es ist möglich die Leuchtdiode im Betriebsartenwahlschalter anzusteuern. Es werden die analogen Eingangswerte für den Ein/Austaster, den Betriebsartenwahlschalter und den Füllstand eingelesen. Am letzten Ankoppler sind die Druckgeber für den Druck der Pipline der Schwarz- und Weißseite angeschlossen, zudem der Füllstandssensor und das Magnetventil der Schwarzseite.

AST_INIT:

Ast_INIT dient der Anlaufsteuerung des Astes. Ast_INIT koordiniert den Ast Datenverkehr und parametriert den Kommunikationsprozessor. Diese beiden Vorgänge werden über die Firmwarebausteine Ast_StatusFB und BTS_IFParam geregelt. Die genauen Bausteinbeschreibungen sind der Onlinehilfe oder dem Anhang Sonder- und Firmwarebausteine zu entnehmen.

PME_Gr_1:

Der Baustein dient dem Aufruf und Kon guration der Notschalter und der Prozessmeldeelektronik. Es ist zum Beispiel möglich, die Anzahl der Kommunikationseinheiten, die Lautstärke, den Ladestrom oder die Mikrofonempfindlichkeit einzustellen. Desweiteren findet über diesen Baustein die Kommunikation mit der Prozessmeldeelektronik statt.

PP4110_1, PP4110_2, PP4110_3, PP5000_1:

Die folgenden vier Arbeitsblätter dienen der Parametrierung und der eigentlichen Datenübergabe an den Bus. Im oben beschriebenen Arbeitsblatt Variablenuebergabe werden die Daten lediglich innerhalb des Programms weitergegeben, also eindeutigen und lesbaren Variablennamen zugewiesen. Hier werden die Variablen in die globalen Astdaten hineingeschrieben und aus den globalen Astdaten gelesen. Die globalen Astdaten werden dann von Steuergerät direkt einem Busankoppler und dem entsprechenden Ausgang zugeordnet. An dieser Stelle werden des Weiteren noch die Ankoppler konfiguriert, es wird festgelegt, welche Eigenschaften eine Buchse haben soll. Beispielsweise kann festgelegt werden mit dem Code 0: digitaler Eingang, Fehlerwert 0 und Leitungsüberwachung ausgeschaltet. Die Codenummern ergeben sich aus der Tabelle im Programm und die spezielle Bedeutung dem Anhang Sonder- und Firmwarebausteine ersichtlich, aus dem Funktionsbaustein PM_EKONF.

PME_Gr_2:

Dieses Arbeitsblatt hat die gleiche Funktion wie die PME_Gr_1, also die Notschalterkonfiguration, wenn mehrere Notschalter eingesetzt werden, dann müssen die Not-Aus-Schalter eigentlich alle einzeln aufgerufen und in der richtigen Reihenfolge konfiguriert werden, das hängt mit dem physikalischen Busaufbau zusammen. Der Bus verlangt, dass Komponenten in der eingebauten Reihenfolge aufgerufen werden. Diese beiden POEs umgehen diese Forderung.

BFE02_1:

Der Baustein BFE02_1 ermöglicht die Einstellung des Ast-Endglieds. Das Ast-Endglied ist für den Busabschluss und die Diagnose verantwortlich. Überwacht werden die eigene Versorgungsspannung, der Datenpegel, der vom Steuergerät gesendet wird, die Sicherheitsstromkreiswechselspannungen und den NF-Pegel.

Sollwertuebergabe:

Die Sollwertübergabe ist vergleichbar mit der oben beschriebenen Variablenübergabe. Die Sollwertübergabe übergibt die eingestellten Parameter an die PME.