Projektarbeit Automatisierte Teichanlage Technikerarbeit 2011/2012
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Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 Technikerarbeit 2011/2012 Eduard-Spranger-Berufskolleg Hamm Automatisierte Teichanlage Andreas Holterhoff, Denis Otto, Daniel Völz Seite 1 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 Inhalt 1. Vorwort 5 2. Themenfindung 6 2.1. Realisierung des Projektes 6 3. Projektgruppe 7 4. Projektbeschreibung 8-10 5. Organisation 11 5.1. Projektplan 11 5.2. Aufgabenverteilung 12 5.3. Durchführung 13 5.4. Eigenbauten 13 6. Übersicht der Steuerungskomponenten 6.1. Aufbau des Schaltschrankes 6.2. Bestückung der Montageplatte 14 14-15 15 6.2.1. SPS-Komponenten 16 6.2.2. Operationspanel 16 6.2.3. Sicherungskomponenten 17 6.2.4. Relais 18 6.2.5. Transformatoren 19 6.2.6. Platinen 19 6.3. Übersicht der externen Komponenten 20 6.3.1. Hälterungsbecken 20 6.3.2. Umwälzpumpe / UV-Leuchte 20 6.3.3. Weitere Teichkomponenten 21 7. Messumformer 7.1. 21 Temperatur 22 7.1.1. Schaltung des Messumformers für die Temperaturmessung 23 7.1.2. Abgleich des Messumformers für die Temperaturmessung 24 7.2. 25 PH-Wert 7.2.1. Messprinzip der PH-Elektrode 26 7.2.2. Schaltung des Messumformers für den PH-Wert 27 7.2.3. Abgleich des Messumformers für die PH-Wert- Messung 7.3. Platinen-Layout für Temperatur und PH-Wert Seite 2 28-29 30 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 8.Spannungsversorgung für die Alarmierung im Störungsfall 31 8.1. Aufbau und Funktionsweise der Steuerplatine 8.2. Schaltung für die Versorgungsspannung 24 V DC im Störungsfall 33 8.3. Schaltung der beiden Relais für die Umschaltung auf 24 V DC 34 8.4. Platinen-Layout der 24 V DC Versorgungsspannung 35 8.5. Digitalanzeige für die Ladespannung und den Ladestrom 36 9. GSM-Modul 32 37 37-41 9.1. Konfiguration des GSM-Moduls 9.2. Schaltung des Spannungswandlers 41 9.3. Platinen-Layout des 24 V / 12 V DC Spannungswandlers 42 10. Dämmerungsschalter 43 10.1. Schaltung des Dämmerungsschalters 44 10.2. Platinen-Layout des Dämmerungsschalters 44 11. Regensensor 45 12.Hardware 46 12.1. Konfiguration der SPS 46 12.2. Konfiguration der MPI-Schnittstelle 47 12.3. Konfiguration des Operationspanels OP 77B 48 13. Software 49 13.1. Aufbau des SPS-Programms 49 13.2. Aufbau des WinCC-flexible-Programms 50 13.2.1. Deklaration der Variablen 50 13.2.2. Aufbau der Visualisierung 51 13.2.2.1. Startbild 51 13.2.2.2. Automatik-Betrieb 52 13.2.2.3. Hand-Betrieb 53 13.2.2.4. Messwerte 54 13.2.2.5. Betriebsstunden 55 13.2.2.6. Konfigurationen / Informationen 56 14. Sicherheitshinweise nach VDE 57 14.1. Direktes und indirektes Berühren spannungsführender Teile 57 14.2. Schutzleitersystem 58 14.3. Schutzkleinspannung 58 Seite 3 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 15. Verwendete Software 59 16. Kostenaufstellung 59 17.Abbildungsverzeichnis 60-61 18.Quellenverzeichnis 62 19. Anhang 63 Seite 4 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 1. Vorwort Die folgende Dokumentation entstand im Rahmen einer schulischen Weiterbildung zum staatlich geprüften Techniker für Elektrotechnik am Eduard-Spranger- Berufskolleg in Hamm. Der Schwerpunkt der Ausbildung liegt im Bereich der Automatisierungstechnik. Im letzten Jahr erfolgt die Durchführung einer praktischen Projektarbeit. Diese hat die Wertigkeit eines Unterrichtsfaches und wird auf dem Zeugnis entsprechend ausgewiesen. Das der Dokumentation zu Grunde liegende Projekt befasst sich mit der Automatisierung von Teichanlagen. Teiche dienen auf der einen Seite häufig der Aufwertung einer Gartenanlage, während sie auf der anderen Seite hoch komplexe Lebensräume darstellen. Die Fischhaltung und -zucht erfordern bei vielen Fischarten gleichbleibend gute Umweltbedingungen. Die Regulierung dieser Faktoren erfolgt häufig manuell, was einen hohen Arbeits- und Zeitaufwand bedeutet. Das vorliegende Projekt verfolgt das Ziel, diese Faktoren durch eine Automatisierung stabil zu halten. Automatisierungstechnik definiert sich nach DIN V 19233 als „Das Ausrüsten einer Einrichtung, sodass sie ganz oder teilweise ohne Mitwirkung des Menschen bestimmungsgemäß arbeitet“. Das Projekt hat das Ziel, durch die Automatisierung von Teichanlagen eine ständige manuelle Kontrolle und Überwachung überflüssig zu machen und dadurch eine Arbeitsentlastung zu schaffen. Die Durchführung der Projektarbeit vollzog sich über 10 Wochen und beinhaltet die Planungsphase, welche vom 08.09.2011 – 06.10.2011 erfolgte. Im Anschluss daran gingen wir in die Durchführungsphase über, welche vom 10.10.2011 – 12.01.2012 stattfand. Eine 15-minütige Präsentation des Zwischenstandes stellten wir am 25.11.2011 vor. Abschließend erfolgt eine Vorstellung des Projektes auf der Hausmesse am 17.02.2012. Hier werden die Projektarbeiten aus den Bereichen Metall- und Elektrotechnik dem Fachpublikum vorgestellt. Seite 5 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 2. Themenfindung Die Themenfindung der Projektarbeit ergab sich in einem fortlaufenden Prozess der Gruppendiskussion, wobei optionale Projekte seitens der Arbeitgeber, der Schule und privater Möglichkeiten abgewogen wurden. Vor den Sommerferien 2011 entschied sich die Gruppe schließlich für die private Projektarbeit „Automatisierung einer Teichanlage“. Das Projekt erschien uns besonders reizvoll, weil es sich um ein eigenständiges Projekt handelt, das an das Hobby Fische der Gruppenmitglieder anknüpft. Die Automatisierung der Teichanlage umfasst die Steuerung und Regelung verschiedenster Komponenten (Futterautomat, PH-Wert, Wasserfontäne, Filterpumpe etc.). 2.1. Realisierung des Projektes Zur Realisierung des Projektes wird eine Teichanlage von Familie Otto zur Verfügung gestellt. Diese besitzt bereits eine Steuerung und Regelung durch eine Siemens LOGO. Ziel der Projektarbeit ist es, die vorhandene Steuerung zu Optimieren und eine höhere Benutzerfreundlichkeit zu schaffen. Dazu wird die Siemens S7-300 genutzt, da diese aus der Schule bekannt ist und eine höhere Komplexität der Programmierung bietet. Um eine größere Bedienerfreundlichkeit gewährleisten zu können, sollen sowohl die Übersicht der Teichwerte als auch die Steuerung der Teichanlage erleichtert und komfortabler gestaltet werden. Zur Visualisierung wird deshalb ein Operationspanel 77B der Firma Siemens verwendet. Die abschließende Präsentation der Arbeit erfolgt auf der Hausmesse. Dort wird ein Hälterungsbecken genutzt, um die Möglichkeiten der Anlage zu veranschaulichen. Seite 6 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 3. Projektgruppe Andreas Holterhoff Ringstraße 221a 59821 Arnsberg Energieelektroniker Fachrichtung Betriebstechnik Geb: 10.05.1985 Denis Otto Ägypten 27 59192 Bergkamen Mechatroniker Geb: 02.01.1986 Daniel Völz Kleistraße 2 59427 Unna Energieelektroniker Fachrichtung Betriebstechnik Geb: 20.11.1971 Seite 7 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 4. Projektbeschreibung Das Ziel des Projektes ist die vollständige Steuerung und Regelung einer Teichanlage. Es wurden verschiedene – für den Teichbetrieb wichtige – Zielsetzungen herausgearbeitet: • In regelmäßigen zeitlichen Abständen soll eine Wasserfontäne aktiviert werden. • In Abhängigkeit von der Aktivität der Wasserfontäne und dem vorhandenen Tageslicht soll eine Teichbeleuchtung eingeschaltet werden. • Die Fütterung des Fischbestandes soll zu bestimmten Uhrzeiten durch einen Fütterungsautomaten erfolgen. • Eine Teichfilteranlage soll dauerhaft aktiv und zu Reinigungsarbeiten abschaltbar sein. • Beim Abweichen der Temperatur vom Idealwert soll eine Sauerstoffpumpe aktiviert werden. • Bei Abweichung des PH-Wertes vom Idealwert soll eine Alarmierung erfolgen. • Der Wasserstand soll ständig überprüft und zu festgelegten Zeiten reguliert werden. Diese Vorhaben sollen mit verschiedenen Komponenten automatisiert werden. Diese Komponenten werden mit Hilfe einer Siemens SPS S7 313 in Kombination mit einem Siemens Panel OP 77B gesteuert. Die Steuerung verfügt über einen Automatik- sowie einen Handbetrieb. Sowohl der Automatik- als auch der Handbetrieb können am Schaltschrank vor Ort und über das abgesetzte Panel erfolgen. Der Schaltschrank verfügt über Einbausteckdosen, welche über Relais geschaltet werden. Jeder Steckdose ist wie – im Teichkomponente zugewiesen. Seite 8 Folgenden beschrieben – eine Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 Das Tageslicht wird im Automatikbetrieb über einen Dämmerungsschalter ausgewertet und schaltet die Teichbeleuchtung bei aktivierter Wasserfontäne mit einer Nachlaufzeit von 3 Minuten ein. Die Wasserfontäne ist im Automatikbetrieb halbstündlich aktiviert. Zusätzlich wird ein Regensensor verbaut, welcher bei eintretendem Regen zu einer Abschaltung der Wasserfontäne führt. Die Fütterung des Fischbestandes erfolgt über einen Fütterungsautomaten zu drei Zeiten. Die Freigabe erfolgt automatisch um 9:00, 13:00 und 17:00 Uhr. Die ersten beiden Fütterungen umfassen zwei Durchläufe mit je 10 Sekunden, die letzte Fütterung drei Durchläufe mit je 10 Sekunden. Die Filteranlage läuft im Dauerbetrieb und kann zu Reinigungsarbeiten manuell abgeschaltet werden. Nach Einschalten der Filteranlage wird mit einer Verzögerungszeit von 30 Sekunden die UV-Leuchte zugeschaltet. Diese kann manuell über einen Taster deaktiviert und wieder aktiviert werden (Medikamentenzugabe oder Wasserstabilisation). PH-Wert und Temperatur werden mit Hilfe eines Messumformers erfasst. Dieser befindet sich auf einer selbst gestalteten Europlatine im Schaltschrank. Beim Verlassen des Temperaturbereiches (2 – 21 °C) wird die Sauerstoffpumpe eingeschaltet. Diesen Temperaturbereich haben wir gewählt, um zu gewährleisten, dass der Teich nicht vollständig gefriert und die Sauerstoffsättigung beim Erwärmen des Wassers nicht abnimmt. Weicht der PH-Wert von dem Idealwert ab, so erfolgt eine Alarmierung. Der Wasserstand wird über ein Niveaurelais mit Hilfe von zwei Elektroden erfasst. Bei Bedarf wird zu zwei Tageszeiten das Niveau angeglichen. Bei einem Wasserverlust von mehr als 10 cm wird dieser über einen Trennschaltverstärker mit zusätzlicher Drahtbruchsicherheit gemeldet. Dieses führt zu einer sofortigen Abschaltung sämtlicher Pumpen. Die zugeführte Wassermenge wird über einen Volumenmeter erfasst. Seite 9 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 Die Alarmmeldungen Ausfall der Filteranlage > 2 Stunden oder Sauerstoffversorgung, Wasserverlust und veränderter PH-Wert > 5 Stunden erfolgen über ein GSM-Modul. Zudem kann die Teichbeleuchtung bei Freigabe durch den Dämmerungsschalter über einen Anruf an das GSM-Modul, für eine vorgegebene Zeit eingeschaltet werden. Bei höherem Wasserverlust kann die Teichanlage manuell bei Freigabe durch das Niveaurelais über eine SMS an das GSM-Modul gefüllt werden. Eine Spannungsversorgung zur Aufrechterhaltung der örtlichen Alarmierungen ist mit Hilfe einer selbst gestalteten Europlatine gewährleistet. Seite 10 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 5. Organisation 5.1. Projektplan Abb.1: Projektplan Seite 11 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 5.2. Aufgabenverteilung Bearbeitungsschritt Findungsphase: Bearbeiter Holterhoff, Otto, Völz Planungsphase: Holterhoff, Otto, Völz Durchführung: Planen und Erstellen der Schaltpläne Material beschaffen Aufbau Schaltschrank (mechanisch) Aufbau Schaltschrank (elektrisch) Temperatur- und PH-Platine planen / entwerfen Temperatur- und PH-Platine löten Temperatur- und PH-Platine einstellen Platine Versorgungsspannung Störung planen / entwerfen Platine Versorgungsspannung Störung löten Platine Dämmerungsschalter planen / entwerfen Platine Dämmerungsschalter löten Dämmerungsschalter montieren / abgleichen Sensoren Hälterungsbecken montieren / anschließen Schaltpläne in CaddyXP zeichnen SPS-Programm programmieren Panel programmieren Komponenten Versorgungsspannung Störung montieren GSM-Modul montieren GSM-Modul einstellen Platine Spannungswandler 24/12V DC planen / löten Schaltpläne in sPlan zeichnen Platinen-Layout in Lochmaster-Programm erstellt Platte für Futterautomat am Hälterungsbecken montieren Anschlüsse für Pumpen am Hälterungsbecken montieren Holterhoff, Otto, Völz Holterhoff, Otto, Völz Holterhoff, Otto, Völz Holterhoff, Otto, Völz Holterhoff, Otto, Völz Otto Holterhoff, Otto, Völz Holterhoff, Otto, Völz Völz Holterhoff, Otto, Völz Holterhoff Holterhoff, Otto, Völz Otto Holterhoff, Völz Otto Otto Völz Holterhoff Holterhoff, Otto Otto Holterhoff, Völz Holterhoff, Völz Otto Otto Dokumentation: Lastenheft Pflichtenheft Dokumentation Projektarbeit Zwischenpräsentation Abschlusspräsentation Holterhoff, Völz Holterhoff, Völz Holterhoff, Völz Holterhoff, Otto, Völz Holterhoff, Otto, Völz Abb. 2: Aufgabenverteilung Seite 12 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 5.3. Durchführung Bereits in der Planungsphase wurde der Projektplan entworfen, um einen zeitlichen Überblick zu erhalten. Nach Abschluss dieser Phase wurde nach Datenblättern / Schaltungen für den Bau der Europlatinen recherchiert. Anhand der gesammelten Informationen wurden die verschiedenen Komponenten bestellt. Parallel dazu begann die Entwicklung der Schaltpläne. Im Anschluss erfolgte die Montage des Schaltschrankes sowie der Europlatinen. Die Programmierung der SPS und des Panels verlief parallel zu der Erstellung der Dokumentation. 5.4. Eigenbauten Um die physikalischen Werte der Temperatur, Lichtstärke sowie des PH-Wertes zu verarbeiten, wurden Schaltungen auf Europlatinen selbst entwickelt. Zusätzlich erfolgte der Bau eines 24 V / 12 V DC Spannungswandlers für das GSM-Modul, ebenfalls auf einer Platine. Seite 13 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 6. Übersicht der Steuerungskomponenten 6.1. Aufbau des Schaltschrankes Gewählt wurde ein Kunststoff-Schaltschrank, da dieser eine besondere Witterungsbeständigkeit aufweist. Dieser Schrank verfügt über eine transparente Tür, welche es ermöglicht, die Signalzustände der verbauten Komponenten zu überwachen. Abb. 3: Schaltschrank außen links Abb. 4: Schaltschrank außen rechts Abbildung 3 zeigt die linke Seite des Schaltschrankes mit einem 3-poligen Hauptschalter, MPI-Schnittstelle, Außentemperaturfühler und 24 V DC Spannungsversorgung für das OP 77B. In Abbildung 4 sind die Schaltelemente für den Hand-/Automatikbetrieb der einzelnen Komponenten incl. dazugehöriger Steckdosen verbaut. Zusätzlich befindet sich auf dieser Seite die Photodiode für den verbauten Dämmerungsschalter und die Antenne des GSM-Moduls. Seite 14 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 Darüber hinaus ist eine Signaleinheit für die optische und akustische Alarmierung auf dem Schaltschrank montiert. Des Weiteren wird der Handbetrieb der Steuerung über eine klare Signalleuchte dargestellt. 6.2. Bestückung der Montageplatte Verwendet wurde eine PVC-Kunststoffplatte auf der unser 4-reihiger Aufbau der Schaltschrankkomponenten realisiert wurde. Abb. 5: Montageplatte Schaltschrank Verbaut wurde ein Verdrahtungskanal LK4 60040. Zusätzlich wurde eine Hutschiene Licatec zur Befestigung der verschiedenen Komponenten, Durchgangsreihenklemmen, Relais oder Sicherungen verwendet. Seite 15 wie z.B. Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 6.2.1. SPS-Komponenten Abb. 6: SPS S7 Verbaut wurde eine speicherprogrammierbare Steuerung der Firma Siemens. Diese umfasst folgende Komponenten: • Spannungsversorgung 307-1EA00-0AA0 • CPU 313-1AD03-0AB0 • 2 analoge Eingangsmodule 331-7KF01-0AB0 • 3 digitale Eingangsmodule 321-1BL00-0AA0 • 1 digitales Ausgangsmodul 322-1BL00-0AA0 6.2.2. Operationspanel Abb. 7: OP 77B Zur Visualisierung Operationspanel und OP Steuerung 77B der unseres Firma Teiches Siemens. verwendeten Dieses wurde wir in ein einem Kunststoffgehäuse verbaut. Die Schnittstellen und die 24 V DC Versorgung wurden auf der linken Seite des Gehäuses ausgeführt. Seite 16 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 6.2.3. Sicherungskomponenten Abb. 8: Sicherungskomponenten Um einen Leitungs- und Personenschutz zu gewährleisten kommen, nachfolgend erläuterte Sicherungen der Firma AEG zum Einsatz: • Lasttrennschalter mit 25 A Neozed- Sicherungen bestückt als Vorsicherung des RCD-Schutzschalters. • RCD-Schutzschalter 4-pol. 40 A / 30 mA für den Personenschutz, da dieser laut DIN VDE 0100-410:2007-06, Abschnitt 411.3.3, vorgeschrieben ist. • 4 LS-Schalter B 6 A für die Absicherung der Steuerstromkreise, Futterautomaten und des Niveaurelais. • 2 LS-Schalter B 10 A für die Teichbeleuchtung und Sauerstoffpumpe. • 4 LS-Schalter B 16 A für die Filteranlage, Wasserfontäne, Alarmierung Servicesteckdose. • 3 Hilfsschalter am RCD und an den Steuersicherungen als Überwachung. Seite 17 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 6.2.4. Relais Abb. 9: Relais Da die SPS nur 24 V DC Transistorausgänge besitzt, müssen wir Relais einsetzen, um die 230 V AC für die Einbausteckdosen schalten zu können. Des Weiteren wurden ein Trennschaltverstärker für den Schwimmerschalter sowie ein Niveaurelais für die Messung des Füllstandes verbaut. Darüber hinaus wurden 2 Multifunktionsrelais für die Alarmierung verwendet als Takt- und Zeitrelais für die optische / akustische Signalisierung. Zusätzlich wurde ein Hilfsrelais für die Bereitstellung der 24 V DC im Alarmierungsfall verbaut. Seite 18 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 6.2.5. Transformatoren Abb. 10: Transformatoren Damit im Störungsfall die benötigte Spannung von 24 V DC für die Alarmierung zur Verfügung steht, wurde ein Schaltnetzteil 230 V AC / 24 V DC verbaut. Dieses wurde direkt hinter dem Hauptschalter abgegriffen, um die 230 V AC Eingangsspannung auch beim Auslösen des RCD sicherzustellen. Weiterhin wurde ein Transformator 230 V AC / 24 V AC für das Wasser-Zulaufventil sowie das Netzteil für die 12 V DC Teichbeleuchtung benutzt. 6.2.6. Platinen Abb. 11: Platinen 1/2 Abb. 12: Platinen 2/2 Zu sehen sind die Platinen des Messumformers, des Dämmerungsschalters und die Platine der Versorgungsspannung im Störungsfall. Seite 19 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 6.3. Übersicht der externen Komponenten 6.3.1. Hälterungsbecken Abb. 13: Hälterungsbecken Zur Veranschaulichung unseres Projekts nutzen wir ein Hälterungsbecken aus Kunststoff. Hier wurden sämtliche Sensoren in einer Schiene verbaut. Zusätzlich sind die benötigten Anschlüsse für die Pumpe und den Wasserzulauf montiert. 6.3.2. Umwälzpumpe / UV-Leuchte Abb. 14: Umwälzpumpe / UV-Leuchte Zur Reinigung des Teichwassers wird eine Kombination aus Umwälzpumpe und UV-Leuchte gewählt. Diese beiden Komponenten sind in einer Einheit verbaut, werden aber separat angesteuert. Die UV-Leuchte wird verwendet, um Algen zu minimieren. Seite 20 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 6.3.3. Weitere Teichkomponenten Abb. 15: Weitere Komponenten Weiterhin kommen die folgenden Geräte zum Einsatz: • Wasserfontäne • Teichbeleuchtung • Futterautomat • Sauerstoffpumpe 7. Messumformer Für die Temperatur- und PH-Wert-Messung kommt in der SPS eine analoge Baugruppe des Typ SM 331 zum Einsatz. Da diese Baugruppe nur analoge elektrische Signale verarbeiten kann, müssen die Temperatur- und PH-Werte entsprechend umgeformt werden. Die Umwandlung der physikalischen Größen erfolgt in unserem Fall zu einer Ausgangsspannung von 0 – 10 V DC. Den entsprechenden Schaltplan haben wir mit sPlan 6.0 erstellt. Für die Bestückung der Europlatine haben wir auf das Entwicklungstool für elektronische Schaltungen Lochmaster 3.0 zurückgegriffen. Seite 21 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 7.1. Temperatur Für die Temperaturmessung des Teichwassers sowie der Außentemperatur kommen PT 100-Sensoren zum Einsatz. Diese haben einen ohmschen Widerstand, welcher in Abhängigkeit zur Temperatur steht. Der PT 100-Sensor für die Messung der Außentemperatur ist direkt an das analoge Eingangsmodul der SPS angeschlossen. Um diesen Widerstand des Sensors für das Teichwasser in eine für uns nutzbare Spannung von 0 – 10 V DC umzuformen, haben wir eine Schaltung mit dem IC LM324N aufgebaut. Diese haben wir aus dem Datenblatt des IC LM324N übernommen. Abb. 16: PT 100-Sensor Teichtemperatur Abb. 17: PT 100-Sensor Außentemperatur Der PT 100-Sensor hat einen genormten Widerstandswert bei einer bestimmten Temperatur. Wir verwenden einen Temperatur-Messbereich von – 30 °C bis + 70 °C. Somit muss der Messumformer bei – 30 °C eine Ausgan gsspannung von 0 V DC haben und bei + 70 °C eine Ausgangsspannung von 10 V DC. Der genormte Widerstandswert bei – 30 °C beträgt 88,80 Ω. Der genormte Widerstandswert bei + 70 °C beträgt 1 27,10 Ω. Seite 22 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 7.1.1. Schaltung des Messumformers für die Temperaturmessung Abb. 18: Schaltplan des Messumformers für die Temperaturmessung Seite 23 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 7.1.2. Abgleich des Messumformers für die Temperaturmessung Wir wählen für unsere Temperaturmessung einen Temperaturbereich von – 30 °C bis + 70 °C, den wir zur Anzeige bringen wollen. Abgleich des Messumformers auf 0 V bei einer Temperatur von – 30 °C: Bei – 30 °C hat der PT 100 einen Widerstandswert vo n 88,80 Ω. Bei diesem Wert muss ein Spannungswert von 0 V DC am Ausgang des Messumformers zu messen sein. Anstelle des Sensors wird ein Festwiderstand von 88,7 Ω (Toleranz 1%) aus der Reihe E96 eingesetzt. Danach wird mit dem Trimmpotentiometer P2 (Wert 100 Ω) solange abgeglichen, bis man am Ausgang einen Spannungswert von 0 V messen kann. Abgleich des Messumformers auf 10 V bei einer Temperatur von + 70 °C: Bei + 70 °C hat der PT 100 einen Widerstandwert von 127,10 Ω. Bei diesem Wert muss ein Spannungswert von 10 V DC am Ausgang des Messumformers zu messen sein. Anstelle des Sensors wird ein Festwiderstand von 127,0 Ω (Toleranz 1%) aus der Reihe E96 eingesetzt. Danach wird mit dem Trimmpotentiometer P1 (Wert 2 kΩ) solange abgeglichen, bis man am Ausgang einen Spannungswert von 10 V messen kann. Nach diesem Abgleich ist der Messwandler abgeglichen und funktionsbereit. Seite 24 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 7.2. PH-Wert Analog zu der Temperaturmessung kommt eine PH-Wert-Messelektrode zum Einsatz. Für die Umformung wurde der IC LF 444 verbaut. Für die Messung des PH-Wertes verwenden wir die PH-Elektrode vom Typ OPS 11. Mit dem Messumformer wollen wir den gemessenen PH-Wert des Teichwassers in eine Ausgangsspannung von 0 – 10 V DC umwandeln. Wir wählen folgenden Messbereich aus: PH-Wert 0 – 10 entspricht einer Ausgangsspannung von 0 – 10 V DC. Bei einem PH-Wert von 0 – 14 reagiert das Wasser von sauer bis alkalisch. Abb. 19: PH-Wert Tabelle¹ ¹ http://www.zentrum-der-gesundheit.de/images/ph-wert.jpg Seite 25 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 7.2.1. Messprinzip der PH-Elektrode Im Folgenden wird das Messprinzip der PH-Elektrode erläutert: Durch die Neigung der Wasserstoffionen sich in einer dünnen Schicht an Silikatgruppen der Glasoberfläche anzulagern, baut sich je nach PH-Differenz eine galvanische Spannung zwischen der Innen- und der Außenseite der Kugel auf. Diese elektromotorische Kraft wird mittels zweier Bezugselektroden gemessen, von denen sich die eine innerhalb der Glaskugel und die andere außerhalb in der Probelösung befindet. (vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Glaselektrode) Abb. 20: PH-Elektrode¹ ¹ http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cb/Glaselektrode_Schematischer_Aufbau.svg Seite 26 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 7.2.2. Schaltung des Messumformers für den PH-Wert Abb. 21: Schaltplan des Messumformers für die PH-Wert-Messung Seite 27 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 7.2.3. Abgleich des Messumformers für die PH-Wert-Messung Wir wählen für unsere Projektarbeit einen PH-Wert-Messbereich von 0 – 10, den wir zur Anzeige bringen wollen. Durch die Abhängigkeit des PH-Wertes von der Temperatur ist diese vorher abzugleichen. Abgleich der Temperaturkompensation: Auf der Messumformer-Platine ist das Trimmpotentiometer P3 (Wert 200 kΩ) verbaut, mit dem die Temperaturkompensation durchgeführt wird. Durch die Widerstandskette von R12 – R16 haben wir einen TemperaturEinstellbereich von 0 – 100 °C, das entspricht pro 1 °C einem Widerstandswert von 2 kΩ. Um einen Abgleich der Temperatur von 20 °C durchzuf ühren, ergibt sich folgende Abgleichformel: Abgleichformel R12 + Abgleichtemperatur * Temperatur pro 1°C Einstellbeispiel bei einer Temperatur von 10 °C: R12 = 2,7 kΩ + 10 * 2 kΩ = 25,4 kΩ Einstellbeispiel bei einer Temperatur von 20 °C: R12 = 2,7 kΩ + 20 * 2 kΩ = 42,7 kΩ Seite 28 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 Abgleich des PH-Wertes mit der PH-Messsonde: Für den Abgleich der PH-Elektrode verwenden wir verschiedene PH-Messlösungen mit den Werten 4, 7 und 10. Nach Anschluss der PH-Elektrode an den Messumformer und erfolgter Temperaturkompensation wird wie folgt verfahren: • Die PH-Elektrode in die Messlösung mit dem PH-Wert 7 eintauchen. • Ein Voltmeter an die Anschlussklemmen 0 – 10 V anschließen und die Spannung ablesen. • Mit dem Trimmpotentiometer P4 wird nun eine Spannung von 7 V am Ausgang 0 – 10 V eingestellt. • PH-Elektrode in die Messlösung mit dem PH-Wert 4 einführen. Das Voltmeter zeigt nun eine Spannung von 4 V an. • PH-Elektrode in die Messlösung mit dem PH-Wert 10 einführen. Das Voltmeter zeigt nun eine Spannung von 10 V an. Der Messumformer ist nun abgeglichen und funktionsbereit. Seite 29 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 7.3. Platinen-Layout für Temperatur und PH-Wert Abb. 22: Europlatine Messumformer Die Europlatine fertig bestückt mit dem Messumformer für Temperatur und PH-Wert. Aus räumlichen Gründen haben wir die Schaltungen auf einer gemeinsamen Europlatine aufgebaut. Im linken Teil befindet sich die Temperaturmessung und im rechten die PH-Wert-Messung. Der DC/DC Wandler liefert die Spannungsversorgung +/– 15 V DC für die beiden ICs LM324N und LF444N. Diese benötigen Spannungsdifferenz von 30 V. Seite 30 für ihren Arbeitsbereich eine Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 8. Spannungsversorgung für die Alarmierung im Störungsfall Um eine Alarmierung im Störungsfall zu gewährleisten, sind die LS-Schalter für die 24 V DC Steuerspannung und der RCD mit Hilfskontakten bestückt. Diese signalisieren ein Abfallen der Sicherungselemente im Störungsfall. Im Falle eines Auslösens werden – wie im Schaltplan unten ersichtlich ist – die beiden 12 V Bleigel-Akkumulatoren in Reihe geschaltet. Somit stehen dann 24 V DC als Steuerspannung für die optische und akustische Signalisierung zur Verfügung. Der Schaltplan wurde von der Homepage http://home.acor.de/wetec/ entnommen und angepasst. Beschreibung: Im Schaltschrank ist eine Steuerplatine für die Alarmierung verbaut. Diese Platine hat folgende Aufgaben: 1) 2 Stück Bleigel-Akkumulatoren 12 V DC / 7,2 Ah parallel zu laden. 2) Im Alarmierungsfall Reihenschaltung der beiden Bleigel-Akkumulatoren um die Versorgungsspannung von 24 V DC / 7,2 Ah für die optische und akustische Fehlermeldung bereitzustellen. Die beiden Akkumulatoren werden über eine Ladeschaltung geladen, bis die Ladeschlussspannung von 13,7 V erreicht ist. Nun werden diese auf Ladeerhaltung geschaltet. Die auf der Steuerplatine verbauten Relais sind im normalen Betrieb abgefallen und gewähren über die Öffner-Kontakte die Ladung der beiden Akkus. Die Ladung der Akkus erfolgt parallel. Im eintretenden Fehlerfall ziehen die beiden Relais an; dadurch werden beide Akkus in Reihe geschaltet. Somit steht uns eine Versorgungsspannung von 24 V DC / 7,2 Ah für die Alarmierung zur Verfügung. Für die Alarmierung kommt eine akustisch/optische Signaleinheit der Firma Werma zum Einsatz. Die Sirenenalarmierung darf laut Vorschrift 3 Minuten erfolgen. Um dieses zu gewährleisten, wird die Sirene über ein Zeitrelais nach 3 Minuten abgeschaltet. Die optische Alarmier-Einheit wird über ein Blinkrelais gesteuert. Seite 31 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 8.1. Aufbau und Funktionsweise der Steuerplatine Die Platine ist mit einer Strom- und Spannungsbegrenzung für die Ladung der beiden Bleigel-Akkus ausgestattet. Das IC LM 317 ist als Konstant-Stromquelle geschaltet. Durch den Widerstand R1 bestimmen wir einen fest eingestellten Ladestrom für unsere Akkus. Das IC LM 317 hat das Verlangen, sich so einzuregeln, dass zwischen dem Ausgang und dem Adjust-Eingang 1,25 V liegen. Dadurch ergibt sich folgende Berechnung: I = U adj. / R1 In unserem Fall 1,25 V / 3 Ω = 410 mA Somit wird jeder der Akkus mit circa 200 mA geladen. Über das IC LM 317 liegen 12 V an dem IC PB 137 an. Das IC PB 137 regelt sich automatisch auf eine Ladeschlussspannung von 13,7 V ein. Ist diese erreicht, wird der Ladestrom heruntergeregelt. Der Operationsverstärker LM 741 dient in dieser Schaltung als Komparator. Der invertierende IC-Eingang Pin 2 wird mit dem Potentiometer auf 13,7 V eingestellt. Dieser Wert entspricht der Ladeschlussspannung unserer beiden parallel geschalteten Akkus. Der IC-Plus-Eingang Pin 3 vergleicht unsere tatsächlich vorhandene Akkuspannung mit der Referenzspannung am IC-Eingang Pin 2. Solange eine Spannungsdifferenz besteht, wird der IC-Ausgang Pin 6 nicht durchgeschaltet. Ohne diese Differenz wird der IC-Ausgang Pin 6 durchgeschaltet. Eine optische Ladekontrolle – durch zwei LED-Dioden dargestellt – ist vorgesehen. Wenn der IC-Ausgang nicht durchgeschaltet ist, bekommt der Transistor T1 an der Basis ein negatives Spannungspotenzial; er steuert die Emitter / Kollektorstrecke durch und die LED 2 (Rot) bekommt in Flussrichtung ein positives Spannungspotenzial und wird damit eingeschaltet. Sind die Spannungen am ICEingang Pin 2/3 gleich, schaltet der IC-Ausgang Pin 6 durch. Der Transistor T1 bekommt an der Basis ein positives Spannungspotenzial und sperrt die Emitter / Kollektorstrecke. Die LED 2 (Rot) wird ausgeschaltet. Hierdurch hat die LED 1 (Grün) in Fußrichtung ein positives Spannungspotenzial und wird eingeschaltet. Die beiden Akkus werden jetzt auf Erhaltungsladung gehalten. Seite 32 damit Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 8.2. Schaltung für die Versorgungsspannung 24 V DC im Störungsfall Abb. 23: Steuerplatine für die Akku-Ladung / 24 V DC Versorgungsspannung Seite 33 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 8.3. Schaltung der beiden Relais für die Umschaltung auf 24 V DC Abb. 24: Schaltplan für die Bereitstellung der 24 V DC Im normalen Betrieb sind die Relais 2K2 und 2K31 abgefallen. Durch die Schaltung der beiden Relais werden die Akkumulatoren geladen oder gepuffert. Im Alarmierungsfall ziehen die beiden Relais an und die Akkus werden in Reihe geschaltet. Somit steht uns eine Spannung von 24 V DC zur Verfügung. Seite 34 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 8.4. Platinen-Layout der 24 V DC Versorgungsspannung Abb. 25: Europlatine Ladung-Alarmierung Auf der Platine sind die beiden IC’s LM 317T und PB 137 auf Kühlblechen montiert zu sehen. Am Nebenwiderstand R9 erfolgt der Abgriff für die Digital-Anzeige von Strom und Spannung. Die Relais haben die Funktion, die Ladespannung oder Bereitstellung der Spannung im Störungsfall zu gewährleisten. Das IC LM741 dient als Operationsverstärker und ist für die Anzeige der LED´s zuständig. Seite 35 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 8.5. Digitalanzeige für die Ladespannung und den Ladestrom Um einen genauen Überblick über den Ladezustand der beiden Akkus zu haben, werden sowohl die aktuelle Ladespannung als auch der Ladestrom über ein entsprechendes Display angezeigt. Über einen Kippschalter kann die Digital-Anzeige „Ein“ oder „Aus “ geschaltet werden. Die Versorgungsspannung der Digital-Anzeigen erfolgt jeweils über eine 9 V Blockbatterie. Die grüne LED signalisiert das Erreichen der Ladeschlussspannung (13,7 V) und die Erhaltungsladung der Akkus. Durch die rote LED wird die Ladung der Akkus, die zwischen 30 – 200 mA je Akku liegt, angezeigt. Abb. 26: Digitalanzeige Seite 36 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 9. GSM-Modul Für die Verwendung des GSM-Moduls wird eine Spannung von 12 V DC für die Beschaltung der Eingänge IN1 und IN2 benötigt. Hier kommt ein Spannungswandler von 24 V DC auf 12 V DC zum Einsatz. Die beiden Alarmierungsausgänge der SPS werden auf zwei 24 V DC Relais geschaltet. Über die beiden Relais schalten wir im Alarmierungsfall 12 V DC auf die GSM-Modul-Eingänge IN 1 und IN 2. 9.1. Konfiguration des GSM-Moduls Abb. 27: Startbild Durch Öffnen des GSM-Steuerungsmoduls GX105 öffnet sich das Startbild wie in Abb. 27 ersichtlich. Nun können die benötigten Untermenüs geöffnet werden. Seite 37 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 Abb. 28: Allgemeine Einstellungen 1/2 In dem Untermenü „Allgemeine Einstellungen / SIM“ wird der PIN-Code der Karte hinterlegt. Des Weiteren muss hier der Netzbetreiber der Sim-Karte eingestellt werden. Abb. 29: Allgemeine Einstellungen 2/2 In diesem Menü werden die Telefonnummern mit den dazugehörigen Namen eingespeichert, die im Fehlerfall eine Benachrichtigung per SMS erhalten sollen. Seite 38 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 Abb. 30: SMS-Ausgänge In unserem Projekt wurde ein SMS-Ausgang verwendet, welcher in SPS als Eingang verarbeitet wird. Um diesen zu aktivieren, muss unter „Belegt“ der Haken gesetzt werden. Zusätzlich wird hier in unserem Fall der Meldetext „Fuellen1“ festgelegt. Gibt das Niveaurelais die Freigabe zum Füllen, so kann durch Senden einer SMS „Fuellen1=1“ die Teichanlage gefüllt werden. Zum Beenden des Füllvorganges wird eine SMS „Fuellen1=0“ gesendet oder das Niveaurelais beendet den Füllvorgang bei Erreichen des maximalen Wasserstandes. Abb. 31: Incall-Ausgang Um diese Funktion zu aktivieren, ist ein Haken bei „Belegt“ zu setzen. Wenn das GSM-Modul nun angerufen wird, setzt es für 30 Sekunden ein High Signal. Seite 39 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 Abb. 32: Optokoppler-Eingang 1/2 Um diesen Eingang zu aktivieren, ist der Haken bei „Belegt“ erforderlich. In unserem Fall haben wir einen Meldetext „Niveau“ eingestellt; sollte das Niveau des Teiches fallen, wird eine SMS an die vorher eingestellten Teilnehmer versendet. Abb. 33: Optokoppler-Eingang 2/2 Den Eingang 2 haben wir verwendet, um eine Sammelstörung zu verarbeiten. Die zu versendende SMS beinhaltet den Text „Stoerung“. Diese SMS wird verschickt, sobald der PH-Wert den Idealwert verlässt, die Sauerstoffpumpe ausfällt oder die Filteranlage nicht mehr aktiv ist. Seite 40 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 Abb. 34: Kommunikation Durch Betätigen des Buttons „Status“ wird die aktuelle Signalstärke angezeigt, dieses bestätigt die richtige Wahl des COM-Ports. Nun können die Einstellungen auf das GSM-Modul übertragen werden. 9.2. Schaltung des Spannungswandlers Abb. 35: Schaltplan des Spannungswandlers mit dem IC1 78L12 Seite 41 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 9.3. Platinen-Layout des 24/12 V DC Spannungswandlers Abb. 36: Europlatine für den Spannungswandler Die Primärspannung beträgt in unserem Fall 24 V DC, diese wird über den Festspannungsregler L7812 auf eine Sekundärspannung von 12 V DC geregelt. Die dem Festspannungsregler parallel geschaltete Diode D1 liegt in Sperrrichtung zwischen Ein- und Ausgang. Im eintretenden Fehlerfall, wie z.B. einem Kurzschluss zwischen Ue und GND, schützt die Diode die verbauten Bauteile und nachfolgende Schaltungen vor einer Überspannung. Seite 42 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 10. Dämmerungsschalter Die Teichbeleuchtung soll im Automatikbetrieb bei einsetzender Dämmerung und eingeschalteter Wasserfontäne automatisch eingeschaltet werden. Dieses wird mit einem sich ebenfalls auf einer Europlatine befindlichen Dämmerungsschalter realisiert. Die Ein- und Ausschaltverzögerung ist über ein RC-Glied auf etwa 60 Sekunden eingestellt. Über das Potentiometer P1 können wir die Einschaltschwelle des Dämmerungsschalters einstellen. Um die Lichtintensität zu verarbeiten, haben wir eine Schaltung mit dem IC TLC 274 aufgebaut. Die Photo-Diode vom Typ SFH 203 erzeugt proportional zur Beleuchtungsstärke einen Photo-Strom. Dieser wird über den als I-U-Wander (OP1) verwendeten Operationsverstärker in eine proportionale Spannung umgesetzt. Diese erzeugte Spannung kann durch die Elektronik leichter ausgewertet werden als der Photo-Strom. Diese Schaltung wurde der im Anhang beigefügten Bau- und Bedienungsanleitung „Dämmerungsschalter“ entnommen. Seite 43 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 10.1. Schaltung des Dämmerungsschalters Abb. 37: Schaltplan des Dämmerungsschalters 10.2. Platinen-Layout des Dämmerungsschalters Abb. 38: Europlatine Dämmerungsschalter Seite 44 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 11. Regensensor Die Wasserfontäne soll bei eintretendem Regen abgeschaltet werden, die Messung erfolgt mit einem verbauten Regensensor. Der Sensor verfügt auf seiner Oberfläche über eine Widerstandsmessung, welche bei Feuchtigkeit ihren Wert verändert. Diese Widerstandsänderung wird sensorintern verarbeitet und führt zu einer Schaltung des sensoreigenen Relais. Um zu gewährleisten, dass der Sensor nach dem Regen nicht durch die Restfeuchtigkeit geschaltet bleibt, wird die Oberfläche bei eintretender Feuchtigkeit beheizt. Abb. 39: Regensensor Seite 45 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 12. Hardware 12.1. Konfiguration der SPS Abb. 40: Hardwarekonfiguration der SPS Um die Kommunikation der verbauten Baugruppen zu gewährleisten, ist es erforderlich, diese hinzuzufügen. Dieses geschieht, indem die entsprechende Baugruppe aus der Liste auswählt wird. Im Anschluss daran erfolgt die Einstellung der Ein- und Ausgangsbytes. Steckplatz 3 bleibt unbesetzt, da dieser für den Einbau eines Interface-Moduls reserviert ist. Gegebenenfalls ist die Parametrierung der CPU erforderlich, bei der z.B. die Zykluszeit verändert oder ein Taktmerker erstellt wird. Seite 46 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 12.2. Konfiguration der MPI-Schnittstelle Abb. 41: Konfiguration der MPI-Schnittstelle Um die Kommunikation der SPS mit dem Operationspanel zu gewährleisten, ist es in unserem Fall erforderlich, eine MPI-Verbindung herzustellen. Dies geschieht unter „Einfügen / Subnetz / 1 MPI“. Nun wird durch Öffnen der MPI-Verbindung dieses Fenster geöffnet, in welchem das entsprechende Panel aus der Liste gewählt werden kann. Im Anschluss daran ist es notwendig, die Verbindung des hinzugefügten Panels mit der MPI-Schnittstelle herzustellen. Gegebenenfalls besteht die Möglichkeit, unter „Objekteigenschaften“ die entsprechende Adresse zu verändern, damit es nicht zu Konflikten kommt. Zu beachten ist hier die Auswahl der Übertragungsgeschwindigkeiten, die in unserem Fall 187,5 kbit/s beträgt. Um die Konfigurationen und Einstellungen zu übernehmen, muss der Button „Speichern und Übersetzen“ betätigt werden. Hierdurch stehen die Konfigurationen auch unter WinCC flexible zur Verfügung. Seite 47 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 12.3. Konfiguration des Operationspanels OP 77B Abb. 42: OP 77B Durch das Anlegen der MPI-Verbindung im Simatic Manager besteht diese auch in WinCC flexible. Durch Umschalten auf „Ein“ unter dem Punkt „Aktiv“ wird die Kommunikation softwareintern gestartet. Seite 48 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 13. Software 13.1. Aufbau des SPS-Programms Abb. 43: Bausteinverzeichnis Um eine strukturierte Programmierung aller Funktionen der Teichanlage zu realisieren, ist es erforderlich, diverse Bausteine hinzuzufügen. Die Funktionen werden benötigt, um z.B. den Hand- und Automatikbetrieb zu trennen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, aus der „Simatic Bibliothek“ Systemfunktionen zu verwenden, welche es ermöglichen, z.B. die Uhrzeit auf dem Panel darstellen zu können. Im „OB1“ werden anschließend die Funktionen durch den „call-Befehl“ aufgerufen und dann zyklisch abgearbeitet. Seite 49 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 13.2. Aufbau des WinCC flexible-Programms 13.2.1. Deklaration der Variablen Abb.44: Variablendeklaration WinCC flexible Zum Austausch der Daten zwischen der SPS und dem Panel ist es notwendig, unter WinCC flexible Variablen zu erstellen. Diese Variablen werden in WinCC flexible verwendet und dienen der Kommunikation mit dem SPS-Programm. Je nach Speicherinhalt der Variable ist es notwendig diese entsprechend zu konfigurieren. Hierzu stehen verschiedene Formate wie z.B. Bool oder Word zur Verfügung. Seite 50 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 13.2.2. Aufbau der Visualisierung 13.2.2.1. Startbild Abb. 45: Startbild 1 Abb. 46: Startbild 2 Das dargestellte Operationspanel OP 77B zeigt in der linken Abbildung das erstellte Startbild. Durch die Betätigung der Tasten F1 – F4 werden die jeweilig kurz beschriebenen Untermenüs geöffnet. Das hier dargestellte Datum ist exemplarisch, dieses wird durch die Verknüpfung mit der SPS S7 synchronisiert. Seite 51 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 13.2.2.2. Automatik-Betrieb Abb. 47: Auto 1/4 Abb. 48: Auto 2/4 Abb. 49: Auto 3/4 Abb. 50: Auto 4/4 Durch Auswahl der Menütaste „Auto“ öffnen sich die oben dargestellten Abbildungen. Durch Betätigen der Pfeiltaste oben / unten ist ein Wechseln innerhalb des Untermenüs „Auto“ möglich. Hier sind die einzelnen Zustände Teichkomponenten ersichtlich, sobald die Teichanlage im Automatikbetrieb läuft. Seite 52 der Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 13.2.2.3. Hand-Betrieb Abb. 51: Hand 1/4 Abb. 52: Hand 2/4 Abb. 53: Hand 3/4 Abb. 54: Hand 4/4 Durch Wählen des Menüpunktes „Hand“ im Startbild öffnet sich das dargestellte Untermenü. Durch Betätigen der Pfeiltasten ist ein Wechsel der einzelnen Bilder in dem Untermenü möglich. Wenn die Teichanlage nicht im Automatikbetrieb betrieben wird, ermöglicht Teichkomponenten. dieser Menüpunkt Dieses wird das unter Ein- und anderem Wartungsarbeiten an der Teichanlage benötigt. Seite 53 für Ausschalten Reinigungs- einzelner und Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 13.2.2.4. Messwerte Abb. 55: PH-Wert Abb. 56: Temperatur Abb. 57: Teich füllen Durch Auswahl des Menüpunktes „Werte“ öffnet sich das dargestellte Untermenü. Hier können jederzeit die aktuell gemessenen PH-Werte, Temperaturen und die Menge des zugeführten Wassers eingesehen werden. Das zugeführte Wasser wird in Litern gezählt. Sobald 1000 l erreicht sind, wird der Zähler „Wasser in l“ zurückgesetzt und „Wasser in m³“ gesetzt. Die Messung ermöglicht eine Kostenaufstellung der Anlage. Seite 54 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 13.2.2.5. Betriebsstunden Abb. 58: Betriebsstunden 1/4 Abb. 59: Betriebsstunden 2/4 Abb. 60: Betriebsstunden 3/4 Abb. 61: Betriebsstunden 4/4 Durch die Auswahl des Menüpunktes „Info“ öffnet sich das dargestellte Untermenü. Hier sind die Betriebsstunden der verschiedenen Teichkomponenten ersichtlich. Diese Betriebsstunden werden benötigt, um eine Kostenübersicht der jeweiligen Komponenten und der gesamten Anlage zu erhalten. Seite 55 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 13.2.2.6. Konfigurationen / Informationen Abb. 62: Info Abb. 63: Einstellungen Abb. 64: Betriebsart Durch Auswahl des Untermenüs „Konfig“ öffnet sich das entsprechende Untermenü, in welchem die aktuelle Software-Version des Panels ersichtlich ist. Durch dortiges Betätigen des Tasters F4 öffnet sich das „Einstellungsmenü“; dort sind verschiedene Einstellungen wählbar. Unter dem Menüpunkt „Betriebsart“ kann der Betriebszustand des Panels ausgewählt werden. Hier wird z.B. der Transfer-Modus benötigt, um eine neue Software auf das Panel zu übertragen. Seite 56 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 14. Sicherheitshinweise¹ „Elektrische Betriebsmittel müssen unter Berücksichtigung der äußeren Einflüsse, denen sie ausgesetzt sein könnten, so ausgewählt und errichtet werden, dass der ordnungsgemäße Betrieb und die Wirksamkeit der Schutzmaßnahmen sichergestellt sind.“ 14.1. Direktes und indirektes Berühren spannungsführender Teile² „Der Schutz gegen direktes Berühren soll verhindern, dass betriebsmäßig unter Spannung stehende Anlagenteile berührt werden können. Das kann durch das Aufbringen von Isolierungen, Abdeckungen oder Umhüllungen und Aufstellung von Hindernissen erreicht werden, aber nicht durch Farbmarkierungen am Boden. Werden Anlagen in Räumen aufgestellt, die für jedermann zugänglich sind (Betriebsstätten), müssen die Schutzvorrichtungen mechanisch widerstandsfähig sein und zuverlässig befestigt werden. Türen oder Abdeckungen dürfen nur mit Werkzeug (Schraubendreher oder Schlüssel) zu entfernen sein. In Anlagenräumen (abgeschlossene elektrische Betriebsstätten) müssen die Anlagen nur gegen zufälliges Berühren geschützt sein.“ „Der Schutz gegen indirektes Berühren soll bewirken, dass elektrisch leitende Anlagenteile, die betriebsmäßig nicht spannungsführend sind, keine gefährlichen Berührungsspannungen annehmen können oder im Fehlerfall eine Abschaltung der Spannung erfolgt. Der Schutz gegen indirektes Berühren kann durch folgende Schutzmaßnahmen erreicht werden:“ • Schutz durch Abschaltung oder Meldung • Schutzleitungssystem • Schutzkleinspannung ¹ Regelwerk der DIN VDE 0100 ² Regelwerk der DIN VDE 0100 Seite 57 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 14.2. Schutzleitersystem¹ „Alle Körper der elektrischen Ausrüstung und der Maschine müssen mit dem Schutzleitungssystem verbunden sein. Wo ein Teil aus irgendeinem Grund entfernt wird, darf das Schutzleitungssystem für die verbleibenden Teile nicht unterbrochen werden. Das Schutzleitungssystem darf weder ein Schaltgerät, eine Überstromschutzeinrichtung (z. B. Schalter, Sicherung) noch eine Einrichtung zur Stromerfassung für solch ein Gerät enthalten.“ 14.3. Schutzkleinspannung² „Schutzkleinspannung (SELV - safety extra low voltage) ist eine Schutzmaßnahme, bei der Stromkreise mit Nennspannungen bis 50 V AC und 120 V DC ungeerdet betrieben werden und bei Speisung aus Stromkreisen aus höherer Spannung von dieser galvanisch sicher getrennt sind. Wenn die SELV die Spannung von 25 V AC beziehungsweise 60 V DC überschreitet, muss ein Schutz gegen direktes Berühren sichergestellt sein.“ ¹ DIN VDE 0100 Teil 540 ² DIN VDE 0100 Teil 410 Seite 58 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 15. Verwendete Software Folgende Programme wurden zur Realisierung des Projektes verwendet: • Simatic Manager v5.4 SP5 • WinCC flexible 2008 Advanced • sPlan 6.0 • Lochmaster 3.0 • CaddyXP++ • MS-Office 2007 • Adobe Acrobat Reader X 16. Kostenaufstellung Aufgrund der Unterstützung unserer Arbeitgeber sowie unserer Materialbestände sind nur nachfolgende Kosten entstanden: Pos. Artikel Stück Preis 1. Verdrahtungskanal 1 16,66 € 2. Hutschiene 1 4,76 € 3. PH-Elektrode 1 26,50 € 4. Volumenmeter 1 48,62 € 5. PT-100-Fühler 2 29,80 € 6. Wieland-Relais 10 44,70 € 7. Platinen-Bauteile 1 138,49 € 8. Filtertechnik 1 68,94 € 9. Kleinteile 1 6,19 € 10. H05V-K 1mm² 1 14,15 € 11. Hälterungsbecken 1 80,00 € 478,81 € Seite 59 privaten Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 17.Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Projektplan Abb. 2: Aufgabenverteilung Abb. 3: Schaltschrank außen links Abb. 4: Schaltschrank außen rechts Abb. 5: Montageplatte Schaltschrank Abb. 6: SPS S7 Abb. 7: OP 77B Abb. 8: Sicherungskomponenten Abb. 9: Relais Abb. 10: Transformatoren Abb. 11: Platinen 1/2 Abb. 12: Platinen 2/2 Abb. 13: Hälterungsbecken Abb. 14: Umwälzpumpe / UV-Leuchte Abb. 15: Weitere Teichkomponenten Abb. 16: PT 100-Sensor Teichtemperatur Abb. 17: PT 100-Sensor Außentemperatur Abb. 18: Schaltplan des Messumformers für die Temperaturmessung Abb. 19: PH-Wert Tabelle Abb. 20: PH-Elektrode Abb. 21: Schaltplan des Messumformers für die PH-Wert Messung Abb. 22: Europlatine Messumformer Abb. 23: Steuerplatine für die Akku-Ladung / 24 V DC Versorgungsspannung Abb. 24: Schaltplan für die Bereitstellung der 24 V DC Abb. 25: Europlatine Ladung-Alarmierung Abb. 26: Digitalanzeige Abb. 27: Startbild Abb. 28: Allgemeine Einstellungen 1/2 Abb. 29: Allgemeine Einstellungen 2/2 Abb. 30: SMS-Ausgänge Abb. 31: Incall-Ausgang Seite 60 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 Abb. 32: Optokoppler-Eingang 1/2 Abb. 33: Optokoppler-Eingang 2/2 Abb. 34: Kommunikation Abb. 35: Schaltplan des Spannungswandlers mit dem IC1 78L12 Abb. 36: Europlatine für den Spannungswandler Abb. 37: Schaltplan des Dämmerungsschalters Abb. 38: Europlatine Dämmerungsschalter Abb. 39: Regensensor Abb. 40: Hardwarekonfiguration der SPS Abb. 41: Konfiguration der MPI-Schnittstelle Abb. 42: OP 77B Abb. 43: Bausteinverzeichnis Abb. 44: Variablendeklaration WinCC flexible Abb. 45: Startbild 1 Abb. 46: Startbild 2 Abb. 47: Auto 1/4 Abb. 48: Auto 2/4 Abb. 49: Auto 3/4 Abb. 50: Auto 4/4 Abb. 51: Hand 1/4 Abb. 52: Hand 2/4 Abb. 53: Hand 3/4 Abb. 54: Hand 4/4 Abb. 55: PH-Wert Abb. 56: Temperatur Abb. 57: Teich füllen Abb. 58: Betriebsstunden 1/4 Abb. 59: Betriebsstunden 2/4 Abb. 60: Betriebsstunden 3/4 Abb. 61: Betriebsstunden 4/4 Abb. 62: Info Abb. 63: Einstellungen Abb. 64: Betriebsart Seite 61 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 18.Quellenverzeichnis www.siemens.de http://www.elektronik-kompendium.de http://www.koemoba.de http://www.funkcom.ch http://www.st.com http://www.national.com http://www.peaktech.de/ http://www.moeller.net/de/index.jsp http://www.martens-elektronik.de http://www.ti.com www.wikipedia.de http://home.acor.de/wetec/ Seite 62 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 19. Anhang I. Genehmigung II. Versicherung Seite 63 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 Seite 64 Projektarbeit Automatisierte Teichanlage 2011/2012 Versicherung Hiermit versichern wir, dass wir die vorstehende Arbeit selbstständig angefertigt, keine anderen Quellen und Hilfsmittel als die angegebenen benutzt und die Stellen der Arbeit, die anderen Werken dem Wortlaut oder dem Sinn nach entnommen sind, in jedem einzelnen Fall unter Angabe der Quelle als Entlehnung kenntlich gemacht haben. Das gleiche gilt auch für beigefügte Zeichnungen und Darstellungen. Hamm, 18.01.2012 Andreas Holterhoff: ________________ Denis Otto: ________________ Daniel Völz: ________________ Seite 65
