Mehr Speed für die \’perfekte Welle\‘

Die Anwendung: die \’perfekte\‘ Mikrowelle Mikrowellenaufschlüsse zum Zweck der Elementbestimmung zählen heute zur Standard-Probenvorbereitung in der Analytischen Chemie. Dabei wird das Probengut in geschlossenen Druckgefäßen in einer Säuremischung bei 200 bis 260°C erhitzt und in seine Bestandteile \’zerlegt\‘. Das von der Firma Berghof patentierte Verfahren zur berührungslosen Temperaturmessung in mikrowellenbeheizten Druckbehältern hat sich hier als schnelles und sauberes Verfahren bewährt. Eine neue ausgereifte Steuerungs­umgebung sollte den Markterfolg dieser Innovation sichern und steigern. Potenziell kommen dafür am Markt viele Produkte infrage – aber auf welcher Basis lässt sich eine effiziente, kostengünstige Lösung entwickeln, die sämtliche Anforderungen zur vollen Zufriedenheit abdeckt? Mit der Schwester Berghof Automationstechnik GmbH saß ein potenzieller Lieferant bereits im eigenen Haus. Dennoch musste dieser erst beweisen, dass seine Produkte den individuellen Bedarf richtig abdecken und aus der \’speedwave four\‘ die \’optimale\‘ Mikrowelle machen konnten. Die Herausforderung: Sicherheit in Echtzeit Die ungleiche Erwärmung der Proben im Mikrowellenfeld sowie die mögliche Induzierung spontaner exothermer Reaktionen während des Aufschlussprozesses sind aus Sicherheitsgründen problematisch. Deshalb wurden verschiedens­te Sensorsysteme zur Überwachung der Reaktionsparameter Druck und Temperatur entwickelt. Eine effiziente Reaktionskontrolle bei Mikrowellenaufschlüssen stellt auch erhöhte Anforderungen an eine Steuerung und Regelung, was Schnelligkeit, Sicherheit, Visualisierung oder Dokumentation betrifft. Da die Reaktionsparameter in jedem individuellen Probengefäß direkt und ohne Zeitversatz ermittelt werden müssen, ist eine effizien­te und sichere Steuerung in Echtzeit nötig. Auch die Visualisierung und Dokumentation muss dabei in Echtzeit funktionieren, um die Prozesse in der Mikrowelle besser vom PC-Arbeitsplatz aus initiieren und überwachen zu können. Die Lösung: Dialog-Controller DC1000 und CoDeSys Mit der realisierten Lösung können erstmals in einem Mikrowellen-Aufschlusssystem sowohl die Druck- als auch Temperaturverläufe aller Proben einzeln in Echtzeit aufgezeichnet und dokumentiert werden. Die Steuerung der Mikrowellenleistung erfolgt in erster Linie über das vorgegebene Temperaturprofil und bei Annäherung des Gefäßinnendrucks an den Maximaldruck des Gefäßes über den Druck. Basierend auf der berührungslosen Sensorik wird die Mikrowellenleistung über die verzögerungsfrei bestimmten Probentemperaturen und -drücke gesteuert. Nur so können Spontanreaktionen wirkungsvoll abgefangen und eine sichere Reaktionsführung erreicht werden. Zur Lösung der Aufgabe setzte Berghof Automationstechnik auf einen Dialog-Controller DC 1000 mit PowerPC-Prozessor und der Software CoDeSys. Steuerung und Visualisierung sind Platz und Programmierzeit sparend in einem Gerät integriert. Das Betriebssystem ist Linux, das um einen Echtzeitkern erweitert wurde. Auf diese Weise sparte der Kunde Berghof Products + Instruments nicht nur Hardware-, sondern auch Softwarekosten ein. Denn Linux bietet auch als günstige Open-Source-Lösung alle Funktionalitäten, die für die Realisierung erforderlich sind: ausgereifte Grafikeigenschaften, Bibliotheken und Kommunikationsprotokolle sowie eine breite Palette an Softwaretools. Die Programmierung: CoDeSys Das Softwareentwicklungstool CoDeSys gestattet eine komfortable Programmierung echtzeitfähiger Steuerungsprogramme. Die Programmierung brachte zudem den Vorteil, CoDeSys-Applikationen einfach portieren und Hardware-nahe Schnittstellen komfortabel einbinden zu können. Da SPS-Programmierung und Visualisierung eine Einheit bilden, wurde alles, was für die Visualisierung notwendig war, bereits in der Programmierumgebung generiert. Damit basiert die Applikation auf einer einheitlichen Software – von der Programmierung bis zur Visualisierung, von der Entwicklung bis zur Wartung. Die Visualisierung: inklusive Web Da SPS-Programmierung und Visualisierung eine Einheit bilden, wurde alles, was für die Visualisierung nötig war, bereits in der Programmierumgebung generiert. Die Visualisierung ist dabei auf unterschiedlichen Plattformen darstellbar, das heißt in der Entwicklungsumgebung ebenso wie am Bedien-Display oder dem Büro-PC. Eine besondere Funktion ist die realisierte Target- und Web-Visualisierung, über die von jedem beliebigen Web-Panel mit marktgängigen Browsern auf die Anwendung zugegriffen werden kann. Auch die hierfür nötigen XML-Files und Java-Applets konnten bereits direkt in der Programmierumgebung generiert wer­den. Die komplette Ethernetverarbeitung ist im DC1000 Hardwareseitig schon \’on board\‘ gewesen. Die Sicherheitsfunktionen Reaktionen, die \’außer Kontrolle\‘ geraten, stellen beim Mikrowellen-Druckaufschluss herkömmlich ein Risiko dar. Das innovative Sensor-Steuerungs- und Sicherheitskonzept der \’speedwave four\‘ reduziert dieses Risiko auf ein Minimum und bietet größtmögliche Sicherheit bei allen Betriebszuständen. Beispielsweise kann das Bersten eines Gefäßes durch plötzlichen Temperaturabfall sofort erkannt werden. Die Mikrowelle wird aus Sicherheitsgründen unmittelbar ausgeschaltet. Neben vielen anderen Sicherheitsfunktionen wurden steuerungsseitig folgende Punkte integriert: – Temperatur- und Drucküberwachung aller Proben in Echtzeit – Abschaltung bei kritischen Betriebszuständen – Überdruckschutz durch verlässliche Berstsicherung – Schwenkdeckel mit elektronischer Sicherheitsverriegelung – drei Übertemperaturschalter zur Über- wachung des Ofenraums und der Elektronik Fazit Mit dem Dialog-Controller DC1000 und mit CoDeSys konnte die Berghof Automationstechnik für eine anspruchsvolle Laboranwendung eine Lösung bieten, die gleich mehrere Vorteile beinhaltet: Durch das integrierte Display in der Steuerung wurden Hardwareseitig Anschaffungskosten gespart. Durch die einheitliche Software wurde der Programmieraufwand gesenkt. Mit Zusatzfunktionen wie Echtzeit und Web-Visualisierung konnte die Marktfähigkeit der Innovation auf einfache Weise erhöht werden. Das Steuerungssystem in Echtzeit konnte die notwendigen Sicherheitsanforderungen erfüllen, um aus einem Mikrowellenaufschluss-System tatsächlich eine schnelle \’speedwave four\‘ zu machen.