Wenn moderne Technik Gas gibt Modularer Embedded Controller als leistungsfähige Steuerzentrale für Gasmotoren in Blockheizkraftwerken

In den Jahren 1994 bis 2000 produzierte der Motorenhersteller Deutz Motorüberwachungs- und Steuerungseinrichtungen der Systemreihe TEM. Die damit ausgerüsteten Gasmotoren, die großteils in Blockheizkraftwerken zum Einsatz kommen, sollen nach Möglichkeit rund um die Uhr laufen. Das bedeutet nicht nur für die Mechanik, sondern auch für die Steuerungstechnik erheblichen Stress. Entsprechende Servicemaßnahmen sind deshalb unvermeidbar, jedoch nicht immer einfach durchzuführen. Der technische Aufwand einer Instandsetzung der Steuerungstechnik und die damit verbundenen Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen bewogen die Firma EWA Elektrotechnik GmbH in Wachenheim an der Weinstraße dazu, alternative Lösungen zu bauen. \“In erster Linie haben wir für die Deutz-Motoren der Baureihen 616 bzw. 620 sowie für die 604er-Serie eine moderne Plug-and-Play-Lösung als Ersatz für die originale TEM-Steuerzentrale entwickelt\“, erklärt Dipl.-Ing. Siegfried Kraft, Leiter der EWA-Projektierungsabteilung. Heraus kam ein modernes Integrated Motor Control System (IMCS), das auf dem modularen Controllersystem Simatic S7-mEC von Siemens aufbaut. Dieses IMCS ist grundsätzlich auch für ähnlich ausgerichtete Motorenprojekte vorstellbar; die Steuerung muss dafür lediglich auf das entsprechende Antriebsaggregat adaptiert werden. Bei Simatic S7-mEC handelt es sich um einen modularen Embedded Controller in der Aufbautechnik der Steuerung Simatic S7-300. Das heißt, das Gerät kombiniert die Funktionalität einer Standard-SPS mit den Rechen- und Speichermöglichkeiten eines Industrie-PCs. Siegfried Kraft ist begeistert: \“Dieses Gerät kann mit den normalen Programmsprachen der Programmiersoftware Step 7 (ebenfalls von Siemens) programmiert werden und arbeitet zwanzigmal schneller als die leistungsfähigste Standardzentralbaugruppe der Steuerung Simatic S7-300 (CPU 319). Sie kann zudem eine riesige Menge an E/A-Signalen verarbeiten und speichern.\“ Damit fasst der Praktiker einige der wesentlichsten Vorzüge des Controllers Simatic S7-mEC zusammen, die speziell in dieser Anwendung zum Tragen kommen. SPS- und PC-Funktionalität als leistungsfähige Einheit Die Detailbetrachtung des IMCS beweist die vielfältigen Möglichkeiten der Geräte: Die Steuerung erfasst rund 40 Analogwerte und 250 Binärwerte und speichert sie je nach Wichtigkeit sogar im Sekundentakt. Dadurch ist Simatic S7-mEC jederzeit in der Lage, eine 6-Minuten-Historie im Sekundentakt aufzuzeichnen und zudem eine 72-Stunden-Historie von 6Min.-Mittelwerten \’einzufrieren\‘, sobald eine Störung zum Stillstand des Gasmotors geführt hat. Grund für diese hohe Flexibilität ist der modulare Aufbau des Controllers. An jeder Seite der Steuerung lassen sich bis zu neun zusätzliche Signal- bzw. Anschaltbaugruppen anreihen – links PC-Karten, rechts Simatic-S7-300-Bau­gruppen. Zusätzlich ist Simatic S7-mEC über Profinet kommunikationsfähig, wodurch es einfach mit Netzwerken und dezentraler Peripherie zu verbinden ist. Den internen Speicher mit 1GB Kapazität bildet ein Solid State Drive (SSD), ein Speichermedium mit Halbleiterspeicherbausteinen, das wie eine herkömmliche magnetische Festplatte angesprochen wird, ohne aber rotierende bzw. bewegliche Teile zu haben. Dadurch werden die Geräte extrem robust, sind entsprechend resistent gegen Erschütterungen und können in Umgebungstemperaturen von -10 bis +50°C betrieben werden. Ein weiteres Plus: Im Vergleich zu Standard-Flash­speicherkarten können diese Medien erheblich öfter beschrieben werden. Die Software des IMCS sorgt zusätzlich dafür, dass alle Bereiche des SSD zyklisch unterschiedlich beschrieben werden, was die Lebensdauer weiter steigert. Zusätzlich kann eine Standard-Speicherkarte (z.B. Compact Flash, SD- oder Multimedia Card) eingesteckt werden, um Daten zu archivieren oder direkt zu überspielen. Einfache Programmierung und Parametrierung Um alle notwendigen Signale der Deutz-Motoren im IMCS der Firma EWA erfassen zu können, wurde der Controller Simatic S7-mEC unter anderem mit zwei Thermoelementbaugruppen ergänzt. Jede davon kann acht analoge Werte der Chrom-Nickel-Elemente erfassen, wie sie z.B. aus dem Brennraum und dem bis zu 800°C heißen Abgassystem geliefert werden. In der Visualisierungssoftware WinCC flexible von Siemens, die als Runtime-Version auf die Steuerung aufgespielt wurde, lassen sich die eingesetzten Sensoren einfach aus einer Liste auswählen. Beispielsweise kann angewählt werden, ob eine interne oder externe Kompensation vorhanden ist. Siegfried Kraft kommentiert: \“Solche integrierten Bauteilbibliotheken vereinfachen natürlich erheblich den Aufbau einer derart komplexen Steuerungszentrale, wie sie für die Deutz-Motoren notwendig ist.\“ Eine weitere analoge Baugruppe, die bis zu acht Strom-, Spannungs- und Widerstandswerte aufnehmen kann, erfasst Temperatur- sowie Druckwerte von PT100-Elementen im Kühlwasserkreislauf, in den Lagern und im Schmierölkreissystem. Ergänzend hierzu werden noch eine Reihe weiterer Signale in zwei Karten mit jeweils 32 digitalen Ein- und Ausgängen verarbeitet. Als Kommunikationsschnittstelle zur Steuerung der Gesamtanlage, in der der Gasmotor betrieben wird, arbeitet ein Kommunikationsprozessor CP 341 von Siemens. Dieser bildet den Abschluss am Controller Simatic S7-mEC und kommuniziert ebenfalls per Profinet. Die Visualisierung bekommt die entsprechenden Daten auch über Profinet direkt aus dem Controllersystem übermittelt. Hierbei entschied sich Siegfried Kraft für einen 15-Zoll Thin Client von Siemens. Dieser genügt in dieser Anwendung vollkommen und kostet weniger als ein Touch Panel, weil keinerlei Rechnerleistung integriert ist. Der Vorteil gegenüber einem normalen VGA-Monitor ist, dass er die Signale per TCP/IP erhält und somit bis zu 100m entfernt vom Rechner eingebaut bzw. aufgestellt sein kann. Einfache \’Datensammlung\‘ über dezentrale Peripherie und Profinet Die Durchgängigkeit bei der Datenkommunikation erweist sich bei diesem Projekt an vielen Stellen als vorteilhaft. Denn zum Erfassen extrem vieler und einfacher Signale, wie sie rund um den Gasmotor notwendig sind, gibt es eine wirtschaftliche Ergänzung zu den Karten von Simatic S7-mEC. So können z.B. für Ventilstellungen, Abgasklappenstellung oder Wärmetauschertemperaturen, die auf den Grad der Verschmutzung schließen lassen, einfache E/A-Karten der dezentralen Peripherie Simatic ET 200S von Siemens genutzt werden. Auch eine eigene Schrittmotorenkarte für die Stellung des Gasmischers ist darin integriert. Rund 40 Analogwerte werden so zusammengefasst und über Profinet in den Embedded Controller gemeldet. Siegfried Kraft erklärt: \“Durch die Möglichkeit, riesige Mengen an Informationen zu sammeln, diese in einer SPS zu verarbeiten und in einem Industrie-PC zu speichern, wird selbst ein solch komplexes Projekt wie die IMCS-Motorüberwachung überaus wirtschaftlich.\“ Selbst die Sicherheitstechnik kann über fehlersichere dezentrale Peripherie und Profinet mit Profisafe-Protokoll aufgebaut werden. Obwohl in dieser Anwendung die Sicherheitstechnik mit konventionellen Sicherheitsschaltgeräten gemacht wurde, ist diese beschriebene \’moderne\‘ Sicherheitstechnik sehr einfach darstellbar. Die Programmierung bzw. Parametrierung erfolgt dann über das Zusatzmodul Safety Integrated auf der Step-7-Programm­ebene. \“Bei räumlich ausgedehnten Anlagen und mehreren Sicherheitsschaltkreisen würde sich eine solche Lösung anbieten\“, beurteilt Siegfried Kraft diese Möglichkeit. In Blockheizkraftwerken gibt es bei Störungen lediglich zwei Stufen, eine Warn- und eine Abstellstufe. Bei einer Warnung gibt es eine Sammelwarnung; über die Visualisierung kann nach der Ursache geforscht werden. Bei der Abstellstufe läuft sofort ein ganz anderes Szenario ab, nämlich Motorstopp, Gas absperren und den Generator sofort vom Netz trennen. Siegfried Kraft ergänzt: \“In beiden Fällen werden alle Betriebsdaten im Simatic S7-mEC \’eingefroren\‘, damit die Ursachen lückenlos untersucht werden können – ein weiteres großes Plus dieser Lösung.\“ Die Grenzen wirtschaftlicher Automatisierung erweitert Das Beispiel der neu entwickelten Gasmotoren-Steuereinheit von EWA Elektrotechnik, die als moderner Ersatz für eine in die Jahre gekommene Originalsteuereinheit den langfristigen wirtschaftlichen Betrieb der Aggregate garantieren soll, zeigt eines ganz deutlich: Mit dem modularen Embedded Controller lassen sich die Eigenschaften speicherprogrammierbarer Steuerungen und industrietauglicher PCs für eine optimale Prozesssteuerung verbinden. Diese Geräte kombinieren Aufgaben wie Steuern, Bedienen, Beobachten, Datenverarbeitung und Kommunikation in einer kompakten Einheit. Der modulare Embedded Controller Simatic S7-mEC mit seiner robusten, lüfter- und festplattenlosen Simatic-S7-300-Aufbautechnik wird hierzu wie gewohnt über die Programmiersoftware Step 7 programmiert. Das Gerät bleibt damit innerhalb der Automatisierungswelt, wird allerdings durch die Leistungsfähigkeit von Industrie-PCs ergänzt. Diese Kombination in Verbindung mit der Kommunikation über Profinet und der Möglichkeit, Subsysteme wie die dezentrale Peripherie Simatic ET 200 bzw. Ein-/Ausgabesysteme wie Thin Clients einzubinden, machen aus diesem Controller eine echte \“Leitwarte\“ für anspruchsvolle Applikationen mit hohem Signalaufkommen und Speicherbedarf. Für Siegfried Kraft ist deshalb eindeutig: \“Eine solche Synthese aus SPS-Zuverlässigkeit und PC-Power erweitert spürbar die Grenzen wirtschaftlicher Automatisierung.\“