Steuerung eines Wasserversorgungssystems für 16 Versuchsstände mit CompactRIO

"Die Nutzung der CompactRIO-Architektur ermöglicht es uns, Wartung, Pflege und Erweiterung der Hard- und Software selbst vorzunehmen. Änderungen am Prüffeld, welche auch die Kühlwasserversorgung betreffen, können dementsprechend innerhalb weniger Stunden getestet und implementiert werden."

- Dipl.-Ing. (FH), Dipl.-Bw (FH) Norbert Schmotz, Universität Rostock, Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik, Lehrstuhl für Technische Thermodynamik

Die Aufgabe:

An der Universität Rostock wurde eine Steuerung für ein Kühlwassersystem entwickelt, die auf der CompactRIO-Architektur basiert. Sie ermöglicht die manuelle und automatische Wasserversorgung eines Prüffelds mit 16 Versuchs- und Prüfständen in Abhängigkeit von verschiedenen Umgebungsbedingungen, wie Temperatur, Druck und Durchfluss, unter Berücksichtigung verschiedener Betriebsarten.

Die Lösung:

Die Bedienung und die Visualisierung der Prozessdaten und -parameter erfolgt über einen Touchscreen. Durch die Verwendung der CompactRIO-Architektur und LabVIEW kann das System flexibel an aktuelle und zukünftige Änderungen der Prüffeldstruktur und an verschiedene Versuchsanforderungen adaptiert werden.

Einleitung

 

Die Lehrstühle für Kolben- und Verbrennungsmaschinen (LKV) und Technische Thermodynamik (LTT) an der Universität Rostock betreiben ein Prüffeld mit 16 Versuchsständen, davon zehn Motorenprüfstände der Größenordnung 2 bis 1.000 kW.

 

Für den reibungslosen Betrieb wird Kühlwasser zur Konditionierung der Motoren und zum Betrieb verschiedener Mess- und Prüfstandstechnik benötigt. Das Versorgungssystem besteht aus mehreren Kreisläufen, welche durch acht Leistungspumpen mit Wasser aus einem Kühlteich und einem Tanksystem versorgt werden. Zur Regulierung der Wassertemperatur ist der Kühlteich mit einem Sprinklersystem ausgestattet und es ist ein separater Kühlturm vorhanden. Durch die gestiegene Anzahl und Komplexität der Prüfstände und die Vielschichtigkeit im Bereich der Versuchsdurchführung ist eine Handsteuerung der Wasserversorgung nicht mehr statthaft. Dies war der Anlass, das hier vorgestellte Steuerungssystem zu entwickeln.

 

Umsetzung

Unsere Expertise auf dem Gebiet der RIO-Architektur und die guten Erfahrungen aus anderen Projekten führten schon im frühen Planungsstadium zu der Entscheidung, ein CompactRIO-basiertes System zu entwickeln. Ausschlaggebende Punkte waren für uns die Betriebssicherheit, das modulare Konzept sowie die Erweiterbarkeit mit weiteren Chassis über Ethernet, die analoge als auch busbasierte Anbindung externer Geräte und die Programmierung über LabVIEW.

 

Das zentrale Element der Steuerung bildet ein CompactRIO-9074. Es ist mit sieben C-Serie-Modulen zur Erfassung und Ausgabe der analogen und digitalen Signale ausgestattet. Die Messdaten und Betriebsparameter werden dabei über einen per Modbus/TCP angebundenen Touchscreen visualisiert. Darüber hinaus erfolgt hierüber auch die Festlegung der Betriebsart der einzelnen Pumpen und des Gesamtsystems sowie im Bedarfsfall der manuelle Betrieb.

 

Anhand der implementierten Steuer- und Regelalgorithmen und der erfassten Temperaturen, Drücke und Volumenströme werden die Pumpen und Aktuatoren sowie das Sprinklersystem und der Kühlturm durch das CompactRIO geschaltet und geregelt. Damit ist die Versorgung des Prüffelds mit Kühlwasser sichergestellt.

 

Das LabView-Programm wurde für die Echtzeit (RT)-Ebene des CompactRIO entwickelt, da die Erfassung der Messdaten mit niedriger Datenrate (10 Hz) erfolgt und die Anforderungen an Timing und Regelgeschwindigkeit moderat sind. Dementsprechend wird das CompactRIO im Scanmode mit einer Scanzeit von 100 ms betrieben.

 

Das eigentliche Programm umfasst drei Schleifen. In der ersten (deterministischen) Schleife erfolgen die Datenerfassung, die Grenzwertüberwachung und die Regelung und Steuerung der Pumpen und des Kühlturms anhand der Betriebsart und der festgelegten Parameter. Jede Pumpe wird dabei durch eine State Machine dargestellt, die sowohl die Schaltung der Pumpen als auch ein einfaches Condition Monitoring durch die Überwachung des Anlaufverhaltens der Pumpen ausführt.

 

Die zweite Schleife realisiert den Datenaustausch mit dem per Modbus/RT angebundenen Touchscreen und streamt relevante Daten ins interne Netzwerk.

 

In der dritten Schleife erfolgen das Logging der Betriebs- und Fehlerdaten, die Systemüberwachung und die daraus resultierende Triggerung des externen Watchdog.

 

Die Erweiterung des Programms ist durch das gewählte Konzept mit geringem Aufwand möglich.

 

Zusammenfassung und Ausblick

Das vorgestellte Steuerungssystem ist seit zwei Jahren erfolgreich im Einsatz. Innerhalb der ersten sechs Monate wurde die Steuerung an die unterschiedlichen Betriebsbedingungen appliziert und verrichtet seither zuverlässig und störungsfrei ihren Dienst. Die Nutzung der CompactRIO-Architektur ermöglicht es uns, Wartung, Pflege und Erweiterung der Hard- und Software selbst vorzunehmen. Änderungen am Prüffeld, welche auch die Kühlwasserversorgung betreffen, können dementsprechend innerhalb weniger Stunden getestet und implementiert werden.

 

Zukünftige Erweiterungen beinhalten z. B. den Datenaustausch mit den Prüfstandssteuerungssystemen, um etwa bei Dauerläufen durch Priorisierung der Ressourcen eine unterbrechungsfreie Versorgung sicherzustellen.

 

Informationen zum Autor:

Dipl.-Ing. (FH), Dipl.-Bw (FH) Norbert Schmotz
Universität Rostock, Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik, Lehrstuhl für Technische Thermodynamik
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Tel: +49 (0)381 4989412
Fax: +49 (0)381-4989402
norbert.schmotz@uni-rostock.de

Bild 1: Prüffeld
Bild 2: Schaltschrank mit CompactRIO
Bild 3: Bedienpanel mit Touchscreen
Bild 4: Kühlturm
Bild 5: Kühlteich