Planung, Aufbau und Projektierung neuer Schaltanlagen für zwei Vorklärbecken mit Datenübertragung per Funk und Erweiterung der Visualisierung und Programmierung mit Siemens PCS7

Von Klaus Bundschuh und Began Felic
in Zusammenarbeit mit der Papierfabrik Palm GmbH & Co.KG
betreut von Herrn Markus Stock

Überblick

Die Papierfabrik Palm GmbH & Co.KG mit Stammsitz in Aalen-Unterkochen ist spezialisiert auf die Herstellung
von Zeitungsdruck- und Wellpappenrohpapier aus Recyclingpapier. Im Werk in Aalen-Unterkochen produzieren zwei Papiermaschinen etwa 240.000 Tonnen Wellpappenrohpapier und eine Papiermaschine etwa 90.000 Tonnen Zeitungsdruckpapier pro Jahr.
Da zur Papierherstellung sehr viel Wasser benötigt wird, betreibt das Werk eine eigene Kläranlage um das Abwasser wieder aufzubereiten. Ein Teil der Abwasseraufbereitung stellt die Vorklärung dar, wozu in der Kläranlage zwei Vorklärbecken installiert sind. Die Steuerung und Überwachung der Vorklärung war vor der Erneuerung zum größten Teil nur direkt vor Ort von den Beckenbrücken aus möglich, zudem waren die Schaltanlagen und die Installation veraltet und störanfällig. Aus den genannten Gründen entstand die Idee zu unserer Technikerarbeit, die darin bestand, diese Anlagen zu erneuern, mit einer Funkverbindung zur Steuerung zu versehen, ein Programm für die SPS zu erstellen und die bestehende Visualisierung im Prozessleitsystem zu erweitern.

Ausführung

Aufgabenstellung
Die Aufgabenstellung umfasste die Modernisierung der hauseigenen Kläranlage, genauer gesagt waren Erneuerungen im Bereich der beiden Vorklärbecken durchzuführen. Die bestehenden Steuerschränke auf den Vorklärbrücken sollten vollständig durch neue Schaltanlagen ersetzt werden. Im Bereich Steuerung war hier die veraltete Technik gegen eine moderne Steuerung zu ersetzen, die über die Hauptsteuerung die Möglichkeit bieten sollte die beiden Brücken über das Prozessleitsystem steuern zu können. Die Brücken sollten somit über die Visualisierung des Prozessleitsystems vom Maschinenhaus 2 aus gesteuert und überwacht werden können. Ein weiterer wesentlicher Bestandteil der Aufgabenstellung war es die Kommunikation zwischen Hauptsteuerung und den beiden dezentralen Peripherien über eine Funkverbindung zu ermöglichen, und somit das bestehende veraltete Signalkabel ersetzen zu können. Hierzu waren zur Realisierung dieser Aufgabenstellung die nachfolgenden Punkte zu bearbeiten:
  • Eine Kostenerfassung sollte erstellt werden, die sämtliche Kosten der Realisierung des Projekts beinhaltet
  • Die Auswahl der benötigten Hardware und Installationskomponenten war durchzuführen, wobei die vorgegebenen Kriterien eingehalten werden mussten
  • Es sollte eine geeignete Hardwarekomponente ausgewählt werden, die eine sichere, zuverlässige und bedienerfreundliche Funkübertragung ermöglicht
  • Erstellung der Schaltpläne für beide Becken mit der vorgegebenen Software (WSCAD)
  • Aufbau, Verdrahtung und Prüfung der Schaltanlagen sollte durchgeführt werden
  • Die Programmierung von Steuerung und Visualisierung mittels vorgegebener Software (PCS7)
  • Die Inbetriebnahme der Schaltanlagen mit sämtlichen Funktionsprüfungen
  • Die Erstellung von Mess.- und Prüfprotokollen nach DIN VDE 0100-610
  • Die Dokumentation der gesamten Anlage

alter Schaltschrank

Nachdem die Papierfabrik Palm die Kriterien des Projekts festgelegt hatte, stand zunächst die Bestandsaufnahme der bestehenden Anlagen im Vordergrund. Diese wurde jedoch durch die Tatsache erschwert, dass beide Vorklärbecken rund um die Uhr in Betrieb sind, und somit ein detailliertes Überprüfen der Funktionsweise nicht möglich war. Ein weiterer Nachteil waren die unvollständigen Schaltplanunterlagen der beiden Brücken. Aus diesen Unterlagen konnten wir nur wenige Informationen zum Ablauf der Steuerung entnehmen. Auf Grund dessen waren einige Gespräche mit unseren Betreuern notwendig, welche durch Ihre Erfahrung mit der Anlage beschreiben konnten, wie deren genaue Funktionsweise ist. Somit hatten wir eine Grundlage, an der wir uns bei der Planung der neuen Anlagen orientieren konnten.



Hardware

neuer Schaltschrank

Ein Bestandteil unserer Technikerarbeit war es, die veralteten Schaltanlagen auf den Brücken gegen neue Anlagen auszutauschen. Zudem war die Erneuerung der Elektroinstallation dringend erforderlich, da sich diese auf Grund der Witterungseinflüsse in einem schlechten Zustand befand.
Die Hardwareplanung erfolgte mittels bereitgestellten CAD-Programms namens WSCAD. Mit dieser Software konnten unter anderem Stromlaufpläne, Kabellisten und Klemmenpläne erstellt werden. Nach einer gewissen Einarbeitungszeit mit der Software war es uns möglich die Stromlaufpläne der beiden Schaltanlagen selbstständig zu zeichnen.
Durch die selbstständige Entwicklung der Anlagen erhielten wir einen sehr guten Einblick in die Abläufe einer Hardwarekonstruktion. Mit den gezeichneten Stromlaufplänen war es uns nun möglich die Schaltanlagen aufzubauen und zu verdrahten.



Software
Programmierung
Bei der Papierfabrik Palm wird zur Steuerung der Anlagen und Maschinen das Prozessleitsystem Siemens SIMATIC PCS7 (Process Control System 7) in der Version 6.1 eingesetzt, das über den Siemens SIMATIC Manager programmiert wird. In PCS7 arbeitet man mit CFC-Plänen, in denen ein Programm hauptsächlich mit fertigen Bausteinen, die von Siemens oder von einem Maschinenhersteller erstellt wurden, programmiert wird. Zusätzlich stehen aber auch gewöhnliche Bausteine wie zum Beispiel Bitverknüpfungen, Vergleicher, Zähler und Zeitglieder zur Verfügung. CFC ist eine Abkürzung und steht für Continuous Function Chart. Die Programmierung im CFC-Plan ist der Programmierung im Funktionsplan (FUP) ähnlich. Ein CFC-Plan selbst ist in sechs Einzelpläne unterteilt, in denen man verschiedene Funktionen des Programms einzeln programmieren kann und sie dann zu einer Einheit verbindet. So ergibt sich eine übersichtliche und strukturierte Darstellung.

Visualisierung

Visualisierung
Zur Visualisierung von Anlagen wird bei der Papierfabrik Palm das Programm Siemens WinCC in der Version 6.0 mit Service-Pack 3a verwendet, mit dem im WinnCC-Explorer ein Bild erstellt wird und ein Symbol in diesem Bild mit dem zugehörigen CFC-Plan im PCS7 verknüpft wird. WinCC ist auf den beiden redundanten Servern installiert, auf die die angeschlossenen Clients zugreifen können. Je nach Zugriffsberechtigung ist es somit möglich, von jedem Client im Werk auf die Visualisierung zuzugreifen und sämtliche Anlagen zu steuern und zu beobachten.



Inbetriebnahme
Der Betrieb der Vorklärbecken darf nicht länger als zwölf Stunden aussetzten, da sich sonst der Schwimm- und Grundschlamm zu sehr eindickt. Deshalb war die Inbetriebnahme innerhalb dieses Zeitfensters zu realisieren. Innerhalb dieses Zeitfensters mussten die alten Schaltschränke und Installationen demontiert und die neuen Schaltschränke und Installationen montiert werden.
Zu Beginn wurde der alte Schaltschrank vom nicht mehr verwendeten Schwimmschlammschild und der Schwimmschlammklappe demontiert. Der Schaltschrank, der die Pumpen und Fahrantriebe angesteuert hat, blieb jedoch noch in Betrieb. Es folgte die Montage und eine provisorische Spannungsversorgung der neuen Schaltanlage.
Nach erfolgter Montage und angeschlossener Zuleitung konnte nun die Funkverbindung getestet werden. Sobald die Verbindung der Brücke zum Maschinenhaus 2 stand, wurde ein ausführlicher Test der Ein- und Ausgänge vorgenommen. Dies beinhaltete die örtliche Steuerung der Brücken über den Schaltschrank, sowie die Steuerung von der Visualisierung aus. Parallel dazu wurden neue Leitungen an die Pumpen, Fahrantriebe und Sensoren verlegt, und im neuen Schaltschrank angeschlossen.
Nach erfolgreichem Testen der Anlage konnten nun die alte Schaltanlage abgeschaltet, abgeklemmt und demontiert werden. Danach waren noch die Pumpen, Fahrantriebe und Sensoren anzuschließen.
Nach der Umsetzung wurden die unterschiedlichen Betriebsarten der Brücke nochmals detailliert auf Funktion überprüft. Somit war eine erfolgreiche Inbetriebnahme durchgeführt worden.

Übersicht