Projektarbeit 2011

Einbindung der Kaltwassersätze und Umwälzpumpen in die SPS Steuerung

Durchgeführt im e-on Kraftwerk Wilhelmshaven

von Stefan van Düllen und Kai Peter Mildner

Inhaltsverzeichnis 1 Vorwort..................................................................................................... 31.1 Information zu den Technischen Arbeiten …............................................. 3 1.2 Danksagung .............................................................................................. 3 1.3 Persönliche Erklärung …............................................................................ 4

2 Firmenportrait Firma E-on......................................................................... 52.1 Kernkraftwerke.......................................................................................... 6 2.2 Steinkohlekraftwerke................................................................................ 6 2.3 Kraftwerk Wilhelmshaven......................................................................... 7

3 Aufgabenstellung....................................................................................... 83.1 Anforderungen.......................................................................................... 9

4 Vorgehensweise......................................................................................... 9 4.1 Zeitliche Abläufe........................................................................................ 10 4.2 Wochenberichte........................................................................................ 10

5 Ausgangszustand der Anlage....................................................................... 15 5.1 Übersicht der Schaltkästen im Ausgangszustand........................................ 15

6 Sollzustand der Anlage................................................................................ 176.1 Rahmenbedingungen ................................................................................. 17 6.2 Problemstellungen während des Projekts .................................................. 18

7 Planung des neuen Schaltschrankes ........................................................... 20 7.1 Schaltplan ................................................................................................... 22

8 Das SPS Programm...................................................................................... 238.1 Anforderungen............................................................................................ 238.2 Pumpenbausteine....................................................................................... 24

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9 Variablendeklaration................................................................................... 319.1 Liste der Variablen im FB90......................................................................... 319.2 Die Variablenbausteine............................................................................... 329.3 Übersichtsliste aller relevanten Variablen.................................................. 349.4 Profibus...................................................................................................... 35

10 Visualisierte Hauptansicht........................................................................ 36

11 Anhang...................................................................................................... 3711.1 Schaltplan................................................................................................. 37

12. Inhalt der CD …........................................................................................ 53

13. Quellenverzeichnis ................................................................................. 53

14. Abbildungsverzeichnis ............................................................................ 54

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1 Vorwort

1.1 Informationen zu den technischen Arbeiten :

Fachbereich : Automatisierungstechnik / Elektrotechnik

Thema : Umbau eines bestehenden Kaltwassersatzes, inklusive der dazugehörigen

Umwälzpumpen. Automatisierte Steuerung mit SPS und einer Visualisierung mit „WinCC“. Von der Grundidee bis zur fertigen Musterlösung, einer zu projektierenden Klimaanlage.

Verfasser : Stefan van DüllenParkstrasse 226524 Berumbur

Kai Peter MildnerGraudenzerstrasse 2926388 Wilhelmshaven

Betreuer der Firma: Hauptbetreuer : Herr Hans-Werner Thamm-MöllerAutomatisierungstechnik : Herr Feiko ZinkSchaltschrankbau : Herr Udo CobiSPS und WinCC : Herr Sebastian Schmidt

Zugeteiltes Personal: Schaltschrankbau : Sebastian SkybaSchaltschrankbau : Jan Hendrik Wolf

1.2 DanksagungenAn dieser Stelle möchten wir uns recht herzlich für die Hilfe und Unterstützung der Firma e-on und unseren Betreuern, sowie bei der Technikerschule und unserem betreuendenLehrer Herrn Tröck, bedanken. Auch gilt der Dank der Firma Hildebrand, die uns tatkräftig mit Rat und Tat zur Seite stand.

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1.3 Persönliche Erklärung der Projektteilnehmer Stefan van Düllen und Kai Peter Mildner

Projektthema: Automatisierung und Visualisierung eines Kaltwassersatzes

Wir versichern, dass die technische Arbeit von uns selbstständig durchgeführtund nur die angegebenen Hilfsmittel benutzt wurden.Alle Stellen, die dem Wortlaut oder dem Sinne nach anderen Werkenentnommen sind, haben wir durch Angabe der Quellen kenntlich gemacht.

Wilhelmshaven, 20.April.2011

________________ ________________(Stefan van Düllen) (Kai Peter Mildner)

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2. Firmenportrait der Firma e-on

Die e-on AG ist in Deutschland der führende Strom- und Gaskonzern.

Die Stromerzeugungsgesellschaften sind in die Bereiche Wasserkraft, Kernkraftwerke und Kraftwerke untergliedert.

e-on Wasserkraft betreibt 120 eigene und betriebsgeführte Kraftwerke an Main, Eder, Diemel, Fulda, Werra, Weser und Leine.

e-on Kernkraft betreibt sechs Kernkraftwerke in Bayern, Niedersachsen sowie Schleswig-Holstein und ist an weiteren fünf beteiligt. Die Kernkraftwerke Würgassen in Nordrhein-Westfalen und Stade in Niedersachsen sind stillgelegt und befinden sich im Rückbau.

e-on Kraftwerke betreibt an 35 Standorten konventionelle Kraftwerke mit einer Gesamtleistung von ca. 15.000 MW.

Tochtergesellschaften - e-on Energie AG München- e-on Ruhrgas AG Essen

Auslandsaktivitäten: Weitere Gesellschaften in England, Schweden und den U.S.A.

Die Firma e-on AG (Kürzel: EOA) ist börsennotiert. Die Aktie mit der WKN 761440 und ISIN DE0007614406 wird im amtlichen Markt gehandelt und ist im Prime Standard zugelassen.

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2.1 Kernkraftwerke:

- Kernkraftwerk Isar I 878 MW- Kernkraftwerk Isar II 1.400 MW- Kernkraftwerk Gundremmingen 1.294 MW + 1.288 MW - Kernkraftwerk Grafenrheinfeld 1.345 MW - Kernkraftwerk Grohnde 1.360 MW (16,7 Prozent Stadtwerke Bielefeld)- Kernkraftwerk Emsland 1.329 MW - Kernkraftwerk Unterweser 1.345 MW - Kernkraftwerk Krümmel 1.260 MW (50 Prozent Vattenfall) - Kernkraftwerk Brokdorf 1.370 MW (20 Prozent Vattenfall) - Kernkraftwerk Brunsbüttel 771 MW (66,7 Prozent Vattenfall)

2.2 Steinkohlekraftwerke:

- Steinkohlekraftwerk Rostock 508 MW- Steinkohlekraftwerk Kiel 323 MW- Kraftwerk Wilhelmshaven 747 MW- Kraftwerk Farge 345 MW- Steinkohlekraftwerk Mehrum 690 MW- Steinkohlekraftwerk Heyden 865 MW- Gemeinschaftskraftwerk Weser- Steinkohlekraftwerk Datteln - Steinkohlekraftwerk Knepper 325 MW- Steinkohlekraftwerk Shamrock 152 MW- Kraftwerk Scholven 2056 MW- Kraftwerk Staudinger 2000 MW- Kraftwerk Zolling 449 MW

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2.3 Kraftwerk Wilhelmshaven

Abbildung 1: Kraftwerk Wilhelmshaven

Erbaut: 1973-1976Inbetriebnahme: 24.09.1976

Einbau einer Zweigturbine 1998Letzte Modernisierung: 2002

Leistung 1976 670 MWHeutige Leistung 756 MWBrennstoffe Steinkohle, ÖlMitarbeiter ca. 100

Höhe des Kesselhauses ca. 100 mHöhe des Schornsteins ca. 300 m

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3 Aufgabenstellung

Die bestehenden Kaltwassersätze und dazugehörigen Umwälzpumpen liefen bisher autark.Fehlermeldungen wurden nur örtlich angezeigt, ein Umschalten war ebenso nur Vorort möglich. Die alte Steuerung war in kleinen Schaltkästen aufgeteilt, eine Verbindung zur SPS Steuerung bestand nicht.

Die Aufgabe bestand darin, einen Schaltschrank für die Ansteuerung der Pumpen und der Kaltwassersätze zu entwickeln und die Steuerung in die bestehende SPS einzubinden. Eine der Forderungen seitens e-on bestand darin, alle möglichen Meldungen des Kaltwassersatzes über das Programm „WinCC“ anzeigen zu lassen. Dieses sollte auf dem Steuerrechner sowie auch auf einem Touchpanel zu bearbeiten sein.

Unsere Aufgabe bestand nun darin, die ganze bereits bestehende Anlage mit einem Schaltschrank zu planen und mit der für die Wartung beauftragten Firma in Verbindung zu treten, um zu klären, in wie weit die Aufgabenstellungen seitens e-on zu realisieren sind.

Hierfür sollte die Anlage über den Hauptsteuerrechner, der mit einer S7-400 ausgestattet ist, gesteuert werden. Zusätzlich sollte ein Touchpanel, an dem eine ET-200 angeschlossen ist, genutzt werden. Dieses befindet sich direkt im SPS Steuerschrank neben dem Kaltwassersatz.

Weitere Teilziele waren, den Schaltschrank zu optimieren und eine ansprechende sowie leicht zu bedienende Benutzeroberfläche zu programmieren, welche auf dem Touchpanel angezeigt werden soll.

Der Hauptteil des Projekts bestand, neben dem Entwerfen der Schaltschränke, in der Programmierung der SPS Steuerung und der Visualisierung über „WinCC“.

Für die Montage und das verdrahten des von uns geplanten Schaltschrankes sollten wir einen Auszubildenden und einen Facharbeiter dauerhaft zugewiesen bekommen. Aus verschiedenen Gründen hat dieses Vorhaben leider nicht ganz geklappt, stattdessen haben wir zwei Auszubildende zugewiesen bekommen.

Im Laufe der Projektphase wurde die Aufgabenstellung immer wieder geändert und verfeinert . So mussten der Schaltschrank und die Visualisierung den Gegebenheiten ständig angepasst und geändert werden.

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3.1 Anforderungen

Bei dieser Projektarbeit mussten wir den verschiedensten Anforderungen gerecht werden. Auf uns kamen die verschiedensten Aufgaben zu, die in die Bereiche der Automatisierungstechnik gleichermaßen tief eindrangen, wie z.B. in die Elektrotechnik.

Eine Anforderung war, dass Einarbeiten in die unterschiedlichsten Programme. Das waren zum einen die Programmierungsoberfläche „WinCC“, für die Automatisierung und zum anderen die Software E-Plan zur Erstellung des Schaltplanes für den Schaltschrank. Wir mussten das Layout für die Front- und Grundplatte erstellen, diese bestücken und verdrahten lassen.Wir haben das Visualisierungsprogramm auf das Touchpanel übertragen und weitere SPS Module im Steuerschrank installieren, sowie in die bereits bestehende SPS einbinden lassen.Ein Großteil der Anforderungen lag allerdings bei der Planung und Überwachung des Baues und der Verdrahtung des Schaltschrankes. Die beiden Auszubildenden haben hierbei hervorragende Teilarbeiten geleistet, standen allerdings sehr schnell vor dem Ende ihres bereits erlernten Fachwissens, welches wir durch ständiges Überwachen und Erklärungen unsererseits kompensieren konnten.

4 Vorgehensweise

Wir haben uns für eine sachliche Vorgehensweise entschieden. Wir begannen damit den Ist-Zustand der Anlage aufzunehmen und uns in die bestehende Dokumentation einzulesen. Daraufhin haben wir uns mit der für die Anlagenwartung zuständigen Firma in Verbindung gesetzt. Dann haben wir uns Gedanken gemacht, welche Maßnahmen für den Umbau ergriffen werden müssen. Dieses haben wir gemeinsam in Angriff genommen, damit jeder von uns ständig einen Überblick über das gesamte Projekt hat.Im weiteren Verlauf haben wir immer wieder Gespräche geführt, um zu überprüfen, wie viele Teilaufgaben noch zu bewältigen sind und um diese neu zu verteilen. So erreichten wir eine dauerhafte Produktivität. Beim Rückblick auf die vergangene Projektphase stellt sich heraus, dass unsere Vorgehensweise für unser Projekt richtig und gut durchdacht war. Unterstützung während unseres Projektes haben wir durch unsere Projektbegleiter der Firma e-on erhalten.

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4.1 Zeitliche Abläufe

Die Zeitliche Abläufe unseres Projektes stellten sich wie folgt dar:Kalenderjahr 2011

KW 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Technische Einarbeitung

Schaltplanerstellung

Schaltschrankbau

Programmierung SPS

DokumentationAbbildung 2: Zeitliche Abläufe

4.2 Wochenberichte

1. Woche 07.02.11-11.02.11

Vor dem ersten Betreten des Geländes mussten wir zur allgemein technischen Einweisung der Firma e-on, darauf hin durften wir uns bei unserem Hauptverantwortlichen Projektleiter, Herrn Thamm-Möller melden und uns ihm vorstellen. Von dem wurden wir an unsere beiden zuständigen Projektbegleiter, Herrn Zink und Herrn Cobi weiter verwiesen. Daraufhin folgte eine allgemeine Einweisung . Diese beinhaltete zum Beispiel das Arbeiten an Geräten oder das Tragen der persönlichen Schutzbekleidung. Nun folgte die Austeilung dieser besagten Kleidung. Auch haben wir eine ausführliche Führung durch die Gebäude und Anlagen erhalten. Nach all den notwendigen Formalitäten konnten wir mit unserem Projekt starten.Zu Beginn unserer Arbeiten haben wir nun noch einmal mit unseren Projektbegleitern das komplette Projekt besprochen, um herauszufinden ob noch alle Aufgaben seit unserem ersten Treffen bestanden. Im Anschluss hierauf haben wir uns mit der Aufnahme des Zustandes beschäftigt, Kontakt zur für die Klimaanlagen zuständige Fa. Hildebrand aufgenommen, um letztlich die Bestellung des von uns benötigten Schaltschrankes in die Wege zu leiten. Die Absprache mit der Firma Hildebrand und der Herstellerfirma ergab, dass zum direktem Verbinden der Steuerungen nur ein „ModBus-System“ in Frage kommt, um alle Fehler auslesen zu können.

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2. Woche 14.02.11-18.02.11

Wir haben mit Herrn Cobi den aktuellen Stand besprochen, Herr Cobi war mit dem „ModBus- System“ einverstanden. Nun haben wir mit unserer Bestandsaufnahme weiter gemacht, um auch alle Widrigkeiten der Anlage kennen zu lernen. In diesem Zusammenhang stellten wir dann fest, das sich der Schaltplan leider nicht auf dem aktuellen Stand der Anlage befindet. Somit haben wir einige Tatsachen, die sich im Schaltplan befinden ausprobieren müssen, ob und in wie weit sie auch noch verwendet werden. Nach dem wir den Zustand letztlich aufnehmen konnten, war die Erstellung einer Stückliste, der von uns benötigten Bauteile eine notwendige Tätigkeit, da diese zum Großteil natürlich auch bestellt werden mussten.

Für unsere Arbeiten haben wir von e-on einen Laptop erhalten, auf dem wir nun die Software „E-Plan“ für die Schaltplanerstellung installieren wollten. Dieses Vorhaben scheiterte zunächst, da das Laptop nicht upgedatet wurde. Aus Gründen der Netzwerksicherheit konnte das Laptop nicht im Internen Netz betrieben werden. In Absprache mit unserern Projektberatern durften wir den Laptop ausnahmsweise mit nach Hause nehmen, um alle notwendigen Updates durchzuführen. Um Zeit zu sparen hat einer die Updates und weitere Programme in Heimarbeit installiert.Der Zweite konnte sich während dessen mit dem „ModBus-System“ befassen. Da Herr Zink am Tag zuvor nicht anwesend war, haben wir bei der nächsten Möglichkeit auch ihn über den aktuellen Stand der Anlage in Kenntnis gesetzt. Er war gegen den Einsatz des „ModBus-Systems“, somit wurde unsere Projektvorgabe auf alle möglichen Fehlermeldungen abgeändert. Nach einem Meeting wurde beschlossen nur die Sammelstörmeldung und einen Ausfall eines Kompressors oder der Umwälzpumpe anzeigen zu lassen.

3. Woche 21.02.11-25.02.11

Aufgrund der Planänderung in der letzten Woche haben wir in dieser Woche als erstes unsere Stückliste überarbeitet. Im Anschluss darauf konnten wir mit der Planung unseres Schaltschrankes starten. Hier haben wir mit dem mechanischen Aufbau begonnen. Am Anfang haben wir uns gemäß VDE für zwei Schaltschränke entschieden, da wir auch zwei Einspeisungen haben. Dieses Vorhaben wurde aus Platzgründen gestoppt. Nach dieser Absprache haben wir unseren Schaltschrank neu geplant. Dieser Entwurf wurde von unseren Projektbetreuern für gut befunden.Nach Abschluss der Planung unseres Schaltschrankes konnten wir uns Gedanken über die

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möglichen Meldungen machen und eine zu verwendende Leitungsübersicht erstellen. Im e-on Kraftwerk haben alle Bauteile und Schaltschränke eine immer zu identifizierende Nummer, die auch nur einmal vergeben wird. Somit mussten wir uns natürlich Gedanken über die von uns zu verwendenden Nummern, bei e-on „AKZ“ genannt, machen. Mit Absprache vom verantwortlichen Personal für die AKZ Vergabe, haben wir eine sogenannte AKZ-Liste erstellt.

4. Woche 28.02.11-04.03.11

Weil es mit dem Laptop immer wieder Probleme gab, haben wir uns in Absprache mit den Projektbetreuern entschlossen, mit einem privatem Laptop weiter zuarbeiten. Da nun alle Widrigkeiten bekannt sind, konnten wir uns um den Schaltplan kümmern, hier haben wir mit dem Laststromkreis begonnen und im Anschluss haben wir uns um den Steuerstromkreis gekümmert. Anschließend konnten wir uns im Lager das benötigte Material entnehmen, was nicht vorrätig war wurde daraufhin bestellt.

5. Woche 07.03.11-11.03.11

In dieser Woche konnten wir unseren Schaltplan fertigstellen, es gab zwar noch ein paar kleinere Änderungen, er wurde dann allerdings von Herrn Zink genehmigt. Im Anschluss an die Erstellung unseres Schaltplanes haben wir dann auch noch eine Kontakt- und Klemmbelegungsliste erstellt. Aus betrieblichen Gründen konnten uns nur zwei Auszubildende aus dem erstem Lehrjahr zur Montage des Schaltschranks unterstellt werden, welche an einem unser beiden wöchentlichen Projekttage leider terminlich in der Berufsschule eingebunden waren.Mit Absprache des Ausbildungsleiters konnten wir in Erfahrung bringen, das die Auszubildenden zwar einen Schaltplan lesen können, ihn allerdings nach dem jetzigem Ausbildungsstand noch nicht in allen Belangen selbstständig umsetzen können.

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6. Woche 14.03.11-18.03.11

Nun konnten wir die komplette Fertigstellung der Schaltpläne, der Kontakt- und Klemmbelegung in Angriff nehmen. Sie wurden auch mit unsere Projektbegleiter im kompletten Umfang besprochen und für durchführbar befunden. Als nächsten Schritt nahmen wir uns nun unsere Auszubildenden an. Wir wiesen sie in das Projekt ein und klärten zusammen mit ihnen ihre Fragen zum Schaltplan. Zusammen mit ihnen starteten wir den Bau des Schaltschrankes. Beim Bau des Schaltschrankes kam es anfangs noch zu weiteren Fragen seitens der Auszubildenden, welche wir in einem zeitlich durchaus hohen Aufwand klären konnten.

7. Woche 21.03.11-25.03.11

Anfang dieser Woche haben wir damit begonnen uns um die Programmierung zu kümmern, wir haben um eine Einweisung in die bestehende SPS seitens Herrn Zink gebeten. Herr Zink hatte derzeit leider keine Zeit uns ausführlich einzuweisen, da er anderweitig im Kraftwerk eingebunden war. Die benötigte Einweisung, die wir von Anfang an auch bekommen sollten, wurde nicht abgesagt, sondern nur auf später verschoben, somit begannen wir uns selbstständig in die vorhandene SPS Steuerung einzuarbeiten.

Nach dem Start unserer Programmierung kam es in dieser Woche zu einer Änderung des von uns geplanten Schaltschranks. Herr Penning, ein Elektromeister im Kraftwerk, der unter anderem auch für die Schaltschränke im Kraftwerk zuständig ist, kam aus seinem Urlaub zurück. Er war mit dem Eingangslasttrenner, den wir laut Herrn Cobi einbauen sollten, nicht einverstanden. Wir baten ihn sich in dieser Beziehung mit Herrn Cobi in Verbindung zu setzen. Dieser war jedoch selbst im Urlaub. Worauf er dann gleich mit Herrn Thamm-Möller gesprochen hat. Nach dem Meeting wurde nun beschlossen die Eingangslasttrenner wegzulassen. Ferner wollte Herr Penning auch noch, das wir wieder unsere erste Schaltschranklösung, bestehend aus zwei Schaltschränken, weiter verfolgen. Dieses Vorhaben wurde allerdings in einem weiteren Meeting von Herrn Thamm-Möller untersagt, mit der Begründung, das hierfür nicht genügend Platz zu Verfügung stehe.

Nun änderten wir unseren Schaltplan, klärten unsere Auszubildenden über die bereits beschlossenen Änderungen auf und erstellten für sie auch einen geänderten Klemmplan. Sie änderten daraufhin auch die bereits durchgeführten Arbeiten am Schaltschrank, so das die neuen Forderungen auch umgehend im Schaltschrankbau realisiert wurden.

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8. Woche 28.03.11-01.03.11

Da wir unsere Auszubildenden gut eingewiesen hatten, wir sie zusätzlich zu unseren anderen Aufgaben ständig überwacht haben, konnten wir Fehlerquellen frühzeitig erkennen und beseitigen. In dieser Woche konnte der Bau und die Verdrahtung unseres Schaltschrankes abgeschlossen werden. Nun konnten wir uns vollständig auf die SPS Programmierung konzentrieren.

9. Woche 04.04.11-08.04.11

Wir starteten mit der Steuerung unserer Anlage, in dem wir auf unserem Laptop die Steuerung in die SPS zu programmieren begangen. Auf diesem Wege konnten wir unsere Steuerung dann natürlich auch testen, in dem wir sie über die S7 Schülerversion simulieren konnten. Nach einer erfolgreichen Simulation starteten wir mit der Programmierung in „WinCC“. Hierbei kam es noch zu einigen kleineren Fehlern unsererseits, die die e-on Struktur betrafen. Da wir bis jetzt noch immer keine Einweisung auf das SPS System von e-on erhalten hatten, baten wir erneut um eine ausführliche Einweisung ins e-on System.

10. Woche 11.04.11-15.04.11

In dieser Woche bekamen wir endlich unsere Einweisung auf das e-on SPS System und auch auf „WinCC“ durch Sebastian Schmidt. Dieser Mitarbeiter wurde von Herrn Zink zwecks der Einweisung angefordert. Mit seinen Ratschlägen und Hilfestellungen konnten wir unsere Programmierung nun auch endlich in das System einspielen, da wir inzwischen auch die benötigten SPS Module nachrüsten lassen konnten, die für ein fehlerfreies Einspielen unseres Programms notwendig gewesen sind.

In unserer Abwesenheit fand ein weiteres Meeting statt, bei dem beschlossen wurde, nun doch zwei getrennte Schaltschränke zu verwenden.Da dieses an unserem letzten Projekttag stattgefunden hat, waren wir leider nicht mehr dazu in der Lage unsere Anlage in Betrieb zu setzen. Am 26.04.2011 soll unsere Anlage nun in Betrieb gestellt werden. Zu diesem Zeitpunkt sind wir, natürlich auch anwesend. Dieser Termin kann unter Umständen auch verschoben werden, welches dann bedeutet, dass wir unsere Anlage erst zu einem späterem Zeitpunkt in Betrieb nehmen werden.

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5 Ausgangszustand der Anlage

Die Anlage, die uns zur Veränderung zur Verfügung gestellt wurde, ist zum Zeitpunkt des Projektes voll in Betrieb und kann auch nicht außer Betrieb gestellt werden, da sonst die Räumlichkeiten für die diese Anlage zuständig ist überhitzen würden.

Der betreffende Teil der Klimaanlage besteht aus zwei Kaltwassersätzen und zwei Umwälzpumpen, die manuell direkt an der Anlage geschaltet werden können. Der erste Kaltwassersatz ist ständig mit dem Kühlvorgang beschäftigt. Er besitzt 4 Kompressoren, die durch eine intern programmierte Steuerung einzeln nacheinander geschaltet werden. Der zweite Kaltwassersatz dient als Zusatzgerät, für den Fall das der erste Kaltwassersatz ausfällt. Des weiteren dient der zweite Kaltwassersatz als Unterstützung für den ersten Kaltwassersatz.

Wenn der erste Kaltwassersatz die geforderte Temperatur nicht mehr halten kann schaltet sich automatisch der zweite Kaltwassersatz ein, solange bis die Temperatur den Schwellwert des zweiten Kaltwassersatzes wieder unterschreitet. Da alles in den Kaltwassersätzen fest einprogrammiert ist und man diese beiden Kaltwassersätze nur direkt am Gerät bedienen kann, gibt es keine SPS Schnittstelle.Der gesamte Produktionsablauf, mit diesem Kaltwassersatz, wird also mit Schaltern Schritt für Schritt, per Hand gesteuert.

Hinzu kommt, dass die beiden Umwälzpumpen nur manuell zu schalten sind. Somit besteht keine Möglichkeit bei einem Ausfall der gerade in Betrieb stehenden Umwälzpumpe automatisch auf die zweite Umwälzpumpe auszuweichen. Dieses kann zur Überhitzung wichtiger Anlagen führen.

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5.1 Übersicht der Schaltkästen im Ausgangszustand

Bei den Schaltkästen im Urzustand lässt sich erkennen, dass diese nicht nach den heutigen VDE-Richtlinien gearbeitet sind. Vielmehr ist hierzu zu sagen dass die Einspeisungen, die oberen beiden schwarzen Kästen mit 240mm2 ankommen. Diese sind mit 300 Ampere abgesichert und im Schaltkasten selber wird mit 16mm2 weiter zu den Sicherungen verdrahtet, diese Leitungen sind auch keine Temperaturfesten Leitungen, könnten also im Kurzschlussfall durchaus auch auf brennen, bevor die zuständigen Sicherungen auslösen.

Abbildung 3: Ansichten der alten Kästen Abbildung 4: Innenansichten der alten Kästen

Abbildung 5: Ansicht des Hauptsteuerkastens

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6 Soll- Zustand der Anlage

Unsere Aufgabe war es, eine komplett neue Steuerung für diese Anlage zu bauen und zu programmieren. Somit musste die alte Steuerung abgetrennt und die Neue an die vorhandenen Sensoren angebunden werden.

Es sollte eine vollautomatisierte Steuerung mit einer SPS realisiert werden. Diese Steuerung soll zusätzlich über ein Touchpanel und zwei PC´s visualisiert, bedient und überwacht werden.

6.1 Rahmenbedingungen

Die Rahmenbedingungen für unser Projekt wurden im Vorfeld, bei einem Gespräch mit einem unserer Projektleiter, Herrn Zink, erläutert und besprochen.Es wurde uns die Anlage gezeigt und der Ist-Zustand erklärt, daraufhin haben wir einen Schaltplan der Anlage überreicht bekommen. Es wurde besprochen in wie weit die geänderte Anlage aussehen sollte. Zum Beispiel wie die Steuerung aussehen soll, welche SPS verwendet wird und ob die Schalter des aktuellen Schaltschrankes weiter verwendet werden sollten oder alles über ein Touchpanel (HMI) zu verwendet sein soll. Des Weiteren besprachen wir, wie das Projekt in Zusammenarbeit mit der Firma e-on im einzelnen ablaufen soll und welche Stichtage, sowie Zwischenziele wir einhalten bzw. erreichen sollten. Außerdem wurden uns die bestehenden Möglichkeiten, zur Durchführung der Arbeiten im Betrieb erläutert.

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6.2 Problemstellungen während des Projekts

Während des gesamten Projekts, mussten wir auf die unterschiedlichsten Problemstellungen reagieren. Zu Beginn unseres Projektes bestanden unsere Hauptprobleme bei der Aufnahme des Ist-Zustandes der Anlage, denn der vorhandene Schaltplan wies Abweichungen zur bestehenden Anlage auf und kein Mitarbeiter wusste etwas zur Anlage. Zum Beispiel was und wie hier etwas gesteuert wird, so mussten wir alles durch ausprobieren herausfinden.

Ein weiteres Problem von uns war die Forderung seitens e-on alle möglichen Fehlermeldungen des Kaltwassersatzes auslesen zu können. Dieses Problem konnten wir mit Unterstützung der Fa. Hildebrand klären. Hierfür hätte ein „ModBus-System“ verwendet werden müssen, welches auch von e-on im ersten Moment akzeptiert wurde. Nach ungefähr drei Wochen wurde die Meinung von e-on revidiert und somit mussten wir mit der Planung von neuem beginnen. Ein weiteres Problem von uns war das Verständnis der zu verwendenden Software zum einen „E-plan“ zum anderen „WinCC“.

Unser größtes Problem während des gesamten Projektes, war jedoch der Schaltschrank und die mangelnde Kommunikation zwischen den Projektleitern.Zu Beginn unseres Projektes haben wir zwei einzelne Schaltschränke eingeplant, da wir zwei voneinander getrennte Einspeisungen vorfanden. Dieses Vorhaben wurde seitens e-on aus Platzgründen verworfen. Im Laufe unseres Projektes kam es immer wieder zu Änderungen des Schaltschrankes, zum Beispiel mit Lasttrenner dann wieder ohne etc...Dieses Problem hat uns bis zum Schluss des Projektes verfolgt. An unserem letzten Projekttag kam es zu einer weiteren Änderung des Schaltschrankes, nun wurde unsere Anfangsidee von zwei Schaltschränken doch übernommen. Somit konnten wir die Anlage zwar testen allerdings sie noch nicht in Betrieb nehmen. Als wir das Programm „WinCC“ programmiert hatten, konnten wir dieses zunächst nur speichern und noch nicht einspielen. Hierfür mussten noch weitere SPS Module installiert werden, eine Tätigkeit die wir aus versicherungstechnischen Gründen nicht selbst erledigen durften. Gegen Ende unserer Projektphase wurde dieses Problem dann endlich beseitigt und wir konnten unsere Programmierung nun auch testen, da wir nun mal ausschließlich am scharfen Systemen arbeiteten und programmieren konnten. Beim Einspielen unseres Programmes ohne die benötigten SPS Module hätten wir eine Unzahl an Fehlermeldungen erhalten.

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Zum Ende des Projektes standen wir nur noch kleineren und mittleren Problemen gegenüber. Es musste der Schaltplan unseres Schaltschrankes wieder einmal geändert werden. Diese Probleme konnten wir aber geschickt lösen, da wir unseren Schaltplan so entworfen haben, dass er sehr schnell abgeändert werden kann. Die Probleme der Visualisierung haben wir durch langwierige Kleinarbeit und zur Hilfenahme eines e-on SPS Programmierers zügig lösen können. Der e-on Programmierer hat uns eine Einweisung auf „WinCC“ und das System von e-on gegeben. Die Schwierigkeiten der Programmierung haben wir ebenfalls bewältigt und die Kommunikation ist auch stabil aufgebaut.

Das einzige Problem, welches wir offen lassen mussten, ist zur zeit die Inbetriebnahme der Anlage, da die beiden Schaltschränke erst aufgebaut und verdrahtet werden müssen. Ende der Osterferien soll die Inbetriebnahme durchgeführt werden, zu der wir natürlich anwesend sein werden.Ebenfalls war es eine wichtige Bedingung, die Schaltschränke so zu entwerfen, dass jederzeit eine neue Anlage installiert werden kann, da die vorhandene Anlage aus technischen Gründen wie zum Beispiel das Alter der Kaltwassersätze in naher Zukunft ausgetauscht wird. Hinzu kommt das das verwendete Kühlmittel, welches die Kompressoren nutzen, nur noch bis 2015 hergestellt wird.

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7 Planung des neuen Schaltschrankes

Vor Beginn des Schaltschrankbaus mussten wir an Hand der Richtlinien von e-on, wie zum Beispiel die Farbe, Größe und Einführung der Leitungen, den erforderlichen Schaltschrank bestellen. Natürlich haben wir hierzu auch den vorhanden Schaltschrank in Augenschein genommen, dieses mit zur Hilfenahme der vorhandenen Bauteile und des Schaltplanes.Da der aktuelle Schaltplan nicht korrekt war, mussten wir uns überwiegend auf die verwendeten Bauteile, unsere Versuche mit der Anlage und auf zahlreiche Recherchen in Bezug auf die verwendeten Anlagen verlassen. Diese sind zusätzlich in unserem Schaltschrank mit Sicherungen zu berücksichtigen.

Da sich der neue Schaltschrank im selben Raum wie der Kaltwassersatz befindet, musste natürlich auch auf die Kabeleinführungen geachtet werden. Diese sollten auf alle Fälle nicht nur staubdicht, sondern auch wasserdicht sein und sich auf einem Sockel befinden damit das Wasser auch von unten nicht so leicht eindringen kann. Da wir diesen Schaltschrank wiederum aus versicherungstechnischen Gründen nicht selbstständig bauen und verdrahten durften, haben wir als ersten Schritt unsere beiden Auszubildenden in unseren Schaltplan eingewiesen. Sie entnahmen die Grundplatte aus dem Schaltschrank, um ihn nach unserem Schaltplan mit den Bausteinen aufbauen zu können. Nun schnitten sie Kabelkanäle und Hutschienen zu und montierten diese auf der Grundplatte. Anschließend konnten sie die Bauteile, Kabelkanäle und die Klemmleisten, nach unserem Schaltplan und dem von uns hierfür erstellten Klemmleistenplan montieren.

Hierfür bohrten sie in die Grundplatte Löcher und schnitten Gewinde. Nun mussten die Klemmen-, wie auch die Bauteilebezeichnungen mit Beschriftungsschildern versehen werden, damit diese bei einem eventuellem Austausch eindeutig zugeordnet werden können. Die Grundplatte konnte nun verdrahtet werden. Die Querschnitte ermittelten wir aus den VDE Richtlinien, somit haben wir uns für eine temperaturfeste Leitung mit einem Querschnitt von 35mm2 , als Übergang von der Einspeisung zu den 50 Ampere Sicherungen entschieden. Die weiteren Kabelquerschnitte und Farben der Leitungen entnahmen wir unter anderem natürlich auch aus den Richtlinien von e-on. Die Verdrahtung des Schaltschrankes erledigten die beiden Auszubildenden nach der Vorlage unseres Schaltplanes. Bei dieser Tätigkeit kam es durchaus auch zu Fehlern seitens der beiden Auszubildenden, welche wir durch ständige Kontrollen frühzeitig entdecken und somit auch beseitigen lassen konnten.

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Die fertig verdrahtete Grundplatte konnte nun auf Abstandsbolzen, in den Schaltschrank montiert werden.Für den Schaltschrank, die Schaltschranktür und die Grundplatte musste nun noch die Erdungen berücksichtigt werden. Dafür wurde von uns eine Klemme auf der PE-Schiene vorgesehen und diese dann mit den entsprechenden Erdungsschrauben verdrahtet.

Ansichten des neuen Schaltschrankes.

Abbildung 6: Ansicht des neuen Schaltschrankes 1. Fassung

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7.1 Schaltplan

Den Schaltplan haben wir mit der Software „E-Plan“ erstellt. Die Bauteile haben wir in Verbindung mit dem alten Schaltplan und den aktuell verwendeten Bauteilen erstellt. Hierfür haben wir natürlich auch die Leistungen der einzelnen Geräte, sowie die Ansteuerungen, wie zum Beispiel Stern oder Sterndreieck, in Betracht gezogen. Auf den folgenden Bildern ist unser erstellter Schaltplan zu sehen. Dieser Schaltplan hat folgendes vorgegebenes Aussehen, welches wir aus verschiedenen Schaltplänen aus dem e-on Kraftwerk entnommen haben. E-on verfolgt die Philosophie das hier alle Schaltpläne identisch im Aussehen sind, damit sich jeder Mitarbeiter zu jeder Zeit in alle Schaltpläne zügig einarbeiten kann. Die Software „E-Plan“ sollten wir laut e-on verwenden, da diese Software hier früher auch zum Einsatz gekommen ist und die Formatierungen der Schaltpläne sich nicht grundlegend geändert haben. Heute jedoch wird im e-on Kraftwerk Wilhelmshaven die Software „AutoCAD“ genutzt. Die Formatierungen und das Aussehen aller Schaltpläne haben allerdings immer noch die alten Formatierungen. Die einzige Änderung besteht in der Erstellung der Übersichtsliste und der Artikelstückliste. Diese werden normalerweise automatisch von der Software „E-Plan“ erstellt und dieses nach einer fest gegebenen Formatierung. Somit haben wir diese beiden Listen nach dem Vorbild aller Schaltpläne seitens e-on erstellt und diese beiden Listen per Bild in unseren Schaltplan eingefügt.

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8 Das SPS Programm

Zur Steuerung der gesamten Klimaanlage wird ein SPS Programm mit ca. 400 Bausteinen verwendet. Selbstverständlich arbeitet auch e-on mit vielen universellen Steuerungsbausteinen beispielsweise zur Ansteuerung von Motoren (FB513). Im folgendem wird jedoch nur auf die Projekt relevanten Bausteine eingegangen.

8.1 Programmanforderungen

– beide Umwälzpumpen sollen nach e-on Standard aus der SPS gesteuert werden

– die Visualisierung soll auf dem HMI im Klimaraum sowie auf den PC´s in der Warte und im Strukturraum erfolgen

– die Visualisierung ist in WinCC flexibel zu programmieren

– beide Pumpen können über die Visualisierung manuell ein und aus geschaltet, sowie in den Automatikbetrieb versetzt werden

– manuelles Umschalten muss zusätzlich bestätigt werden

– eine der Pumpen soll im Automatikbetrieb immer eingeschaltet sein

– ihr Zustand soll visuell dargestellt werden

– beide Pumpen sollen sich im Automatikbetrieb in regelmäßigen Abständen abwechseln

– im Störungsfall soll eine Meldung visuell angezeigt und die andere Pumpe im Automatikbetrieb eingeschaltet werden

– eine Freigabe der Kaltwassersätze wird nur erteilt, wenn eine Pumpe in Betrieb ist

– Störungsmeldungen der Kaltwassersätze sollen visuell angezeigt werden

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8.2 Pumpenbausteine – FB90 (Pumpe 1) und FB91 (Pumpe 2)

Die Bausteine beider Pumpen sind nahezu identisch. Lediglich die Ein- und Ausgänge sind angepasst und die Freigabebedingung wird im Netzwerk 8 des FB90 definiert.Im Netzwerk 1 wird mit Hilfe des bestehenden Bausteins FB515 „Zwei-Hand-Bedienung“eingestellt, ob die Pumpe manuell ein- oder ausgeschaltet oder im Automatik-Modus betrieben wird.

Abbildung 7. FB90 Netzwerk1

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Die Voreinstellung kann am HMI oder an einem der beiden PC´s vorgenommen werden.01UV90D040 ist die interne Bezeichnung der ersten Pumpe, 01UV90D050 bezeichnet die Zweite. Die Einstellungen „HAND EIN, AUS“ und „AUTO“ müssen mit „OK“ bestätigt werden um Fehlbedienungen zu vermeiden.

Abbildung 8: Voreinstellung der Pumpen

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Im Netzwerk 2 wird die Automatikeinstellung und die Status und Fehlermeldungen der anderen Pumpe abgefragt um den Merker „Auto_EIN“ zu definieren.

Abbildung 9: Auto EIN

Netzwerk 3 setzt den Merker „Auto_AUS“ sobald die andere Pumpe eingeschaltet wurde

Abbildung 10: Auto AUS

Das Netzwerk 4 beinhaltet den Motorenbaustein FB513. Dieser ist ein weiterer e-on Baustein. Hier werden die Vorauswahlen, Merker „Auto EIN“ und „Auto AUS“, sowie die Rückmeldungen abgefragt. Die Ausgänge werden über weitere Merker in den Netzwerken 5 und 6 gesetzt.

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Abbildung 11: Motorenbaustein (verkürzte Darstellung)

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Abbildung 12: Netzwerk 5

Abbildung 13: Netzwerk 6

Das Überwachungsnetzwerk 7 überprüft wiederum mit dem e-on Baustein FB519, ob die Pumpe innerhalb von fünf Sekunden nach dem Einschaltsignal auch eingeschaltet hat.Sollte dies nicht der Fall sein, so wird eine Fehlermeldung ausgegeben.

Abbildung 14: Netzwerk 7

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Die beiden folgenden Netzwerke dienen zum regelmäßigen Wechsel der beiden Pumpen, um die Betriebsstunden beider Pumpen gleich zu halten. Zu diesem Zweck wird ein Zähler mit einem Timer angesteuert.

Abbildung 15: Timer

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Abbildung 16: Zähler

Das letzte Netzwerk wird nur im FB90 verwendet. Es erteilt die Freigaben für die Kaltwassersätze, sobald eine der Pumpen eingeschaltet ist.

Abbildung 17: Freigabe

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9 Variablendeklaration

9.1 Liste der Variablen im FB90

Abbildung 18: Variablenliste FB90

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9.2 Die Variablenbausteine

Variablenbausteine dienen zum Austausch der Eingaben und Zustände zwischen der SPS und der Visualisierungssoftware „WinCC flexible“. Diese Variablen werden in tabellarischer Form angelegt. Für die Steuerung sind drei Variablenbausteine deklariert worden.

Der UDT613 wird in Verbindung mit dem DB618 genutzt, um die Eingaben und Zustände zu übertragen.

Abbildung 19: UDT613

Abbildung 20: DB618

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Im DB619 sind die Texte der Meldungen von den Kaltwassersätzen hinterlegt, wie sie beim jeweiligen Ereignis in „WinCC“ angezeigt werden.

Abbildung 21: DB619

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9.3 Übersichtsliste aller Relevanten Variablen, Bausteine, Ein- und Ausgänge

Abbildung 22: Globale Variablen

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Symbol Adresse Datentyp Kommentar

UV90 Meld FB92 FB92 UV90 MeldungenUV90 Meldungen DB619 DB619 UV90 MeldungenUV90 Pumpen UDT613 UDT613 UV90 PumpenUV90 Pumpen DB DB618 DB618 UV90 Pumpen DBUV90D010 Betrieb E103.1 BOOL Kaltwassersatz 1 in BetriebUV90D010 Freigabe A65.0 BOOL Freigabe Kaltwassersatz 1UV90D010 Störung Komp 1 E103.2 BOOL Kaltwassersatz 1 Störung Komp 1UV90D010 Störung Komp 2 E103.3 BOOL Kaltwassersatz 1 Störung Komp 2UV90D010 Störung Komp 3 E103.4 BOOL Kaltwassersatz 1 Störung Komp 3UV90D010 Störung Komm 4 E103.5 BOOL Kaltwassersatz 1 Störung Komp 4UV90D010_Sammelstörung E103.0 BOOL Kaltwassersatz 1 SammelstörungUV90D020 Betrieb E104.1 BOOL Kaltwassersatz 2 in BetriebUV90D020 Freigebe A65.1 BOOL Freigabe Kaltwassersatz 2UV90D020 Sammelstörung E104.0 BOOL Kaltwassersatz 2 SammelstörungUV90D020 Stör Pumpe Ost E104.6 BOOL Kaltwassersatz 2 Störung Pumpe OstUV90D020 Stör Pumpe West E104.7 BOOL Kaltwassersatz 2 Störung Pumpe WestUV90D020 Störung Komp 1 E104.2 BOOL Kaltwassersatz 2 Störung Komp 1UV90D020 Störung Komp 2 E104.3 BOOL Kaltwassersatz 2 Störung Komp 2UV90D020 Störung Komp 3 E104.4 BOOL Kaltwassersatz 2 Störung Komp 3UV90D020 Störung Komp 4 E104.5 BOOL Kaltwassersatz 2 Störung Komp 4UV90D040 FB90 FB90 Pumpe 1 KaltwassersatzUV90D040 Bef aus A65.3 BOOL Pumpe 1 ausschaltenUV90D040 Bef ein A65.2 BOOL Pumpe 1 einschaltenUV90D040 SAG E105.2 BOOL Pumpe 1 StörungUV90D040 Status aus E105.1 BOOL Status Pumpe 1 ausUV90D040 Status ein E105.0 BOOL Status Pumpe 1 einUV90D040_timer T70 TIMERUV90D040_timer_Wechsel T72 TIMERUV90D040_Zähler_Wechsel Z1 COUNTERUV90D050 FB91 FB91 UV90D050UV90D050 Bef aus A65.5 BOOL Pumpe 2 ausschaltenUV90D050 Bef ein A65.4 BOOL Pumpe 2 einschaltenUV90D050 SAG E105.5 BOOL Pumpe 2 StörungUV90D050 Status aus E105.4 BOOL Status Pumpe 2 ausUV90D050 Status ein E105.3 BOOL Status Pumpe 2 einUV90D050_timer T71 TIMERUV90D050_timer_Wechsel T73 TIMERUV90D050_Zähler_Wechsel Z2 COUNTERUV90T001 PEW 1122 INTUV90T002 PEW 1124 INTUV90T003 PEW 1126 INTUV90T004 PEW 1128 INT

9.4 Profibus

Um alle Ein- und Ausgänge verarbeiten zu können, wurde die Installation eines neuen ET200 Rack´s erforderlich. Dies wurde fortlaufend nummeriert,mit der Profibus Adresse 13 eingebunden. Es handelt sich um eine ET200 mit 2 Digitalen Eingangskarten.

Abbildung 23: Profibus (Auszug)

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10 Visualisierte Hauptansicht

Der Zustand der Kaltwassersätze und Pumpen kann über das HMI und die PC´s beobachtet und geändert werden. Hierfür wurden weitere visualisierte Bilder erstellt. Im folgendem Bild ist die Übersicht am PC zusehen.

Abbildung 24: Graphische Übersicht Kaltwassersätze und Umwälzpumpen

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11 Anhang

11.1 Schaltplan Schaltplan Deckblatt.............................................................................................. 38

Inhaltsverzeichnis................................................................................................... 39

Übersichtsliste........................................................................................................ 40

Stückliste................................................................................................................ 41

Schematische Darstellung...................................................................................... 42

Schaltschrankaufbau.............................................................................................. 43

DK12 400V................................(Laststromkreis).................................................... 44

DK13 400V................................(Laststromkreis).................................................... 45

DK12 Einschub UV90D040.......(Steuerung Pumpe 1)............................................ 46

DK13 Einschub UV90D050.......(Steuerung Pumpe 2)............................................ 47

GT12 UV90D010 Meldungen...(Kaltwassersatz 1)................................................. 48

GT12 UV90D020 Meldungen...(Kaltwassersatz 2)................................................. 49

GT12 UV90D010 Freigabe........(Kaltwassersatz 1)................................................. 50

GT12 UV90D020 Freigabe........(Kaltwassersatz 2)................................................. 52

GT12 Ausschalter................................................................................................... 53

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12 Inhalt der CD

Die im Anhang befindliche CompactDisc enthält die folgenden Datensätze:

- Ausarbeitung (PDF-Format) - eingesetzte Bilder - SPS Programm - Eingesetzte Bausteine (PDF-Format) - Schaltplan (DWG Format)

13 Quellen

Richtlinien der Fa. e-on

www.eon.com für das Firmenportrait

www.gischel.net für die Schaltplan Erstellung

www.eplan.de für die Schaltplan Erstellung

www.bbs2.fh-wilhelmshaven.de für das Layout

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14 Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Kraftwerk Wilhelmshaven.............................................................. 7Abbildung 2: Zeitliche Abläufe............................................................................ 10Abbildung 3: Ansicht der alten Kästen................................................................ 16Abbildung 4: Innenansicht der alten Kästen....................................................... 16Abbildung 5: Ansicht des Hauptsteuerkastens................................................... 16Abbildung 6: Ansicht des neuen Schaltschranks ................................................ 21Abbildung 7: FB90 Netzwerk1............................................................................. 24Abbildung 8: Voreinstellung der Pumpen........................................................... 25Abbildung 9: Auto Ein......................................................................................... 26Abbildung 10: .Auto Aus..................................................................................... 26Abbildung 11: Motorenbaustein......................................................................... 27Abbildung 12: Netzwerk 5................................................................................... 28Abbildung 13: Netzwerk 6................................................................................... 28Abbildung 14: Netzwerk 7................................................................................... 28Abbildung 15: Timer............................................................................................ 29Abbildung 16: Zähler........................................................................................... 30Abbildung 17: Freigabe....................................................................................... 30Abbildung 18: Variablenliste FB90....................................................................... 31Abbildung 19: UDT613......................................................................................... 32Abbildung 20: DB618........................................................................................... 32Abbildung 21: DB619........................................................................................... 33Abbildung 22: Globale Variablen......................................................................... 34Abbildung 23: Profibus........................................................................................ 35Abbildung 24: Grafische Übersicht Kaltwassersätze und Umwälzpumpen......... 36

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