Halbautomatische Steuerung einer Biogasanlage

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1 I Höhere Technische Bundes Lehr- und Versuchsanstalt Graz Gösting (BULME) Abteilung für Wirtschaftsingenieurwesen (Deutschlandsberg) Halbautomatische Steuerung einer Biogasanlage Regelungstechnikmodell für den Laborunterricht Diplomarbeit im Fach Mechatronik Ausgeführt im Schuljahr 2009/10 von: Betreuer: Habersberger Philipp 5DHWIM Dipl.-Ing. Manfred Dobaj Michelitsch Michael 5DHWIM

2 II Ich erkläre hiermit an Eides Statt, dass ich die vorliegende Diplomarbeit selbstständig und ohne fremde Hilfe verfasst, andere als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel nicht benutzt und die den benutzten Quellen wörtlich und inhaltlich entnommenen Stellen als solche erkenntlich gemacht habe. Deutschlandsberg, am.2010 Verfasser: Philipp Habersberger Michael Michelitsch

3 Aufgabenstellung und detaillierte Beschreibung III Aufgabe: Aufgabe dieser Diplomarbeit ist es, einen Modell für den Regelungstechnikunterricht aufzubauen. Es sind verschiedene Sensoren zu integrieren, die über diverse Bussysteme anzusteuern sind. Die Ansteuerung soll mittels einer SPS von Siemens erfolgen. Die Messgrößen werden in die Steuerung eingelesen und mittels der SPS ausgewertet. Auszuwerten sind verschiedene chemische und physikalische Werte wie z.b. PH-Wert, Redoxreaktion, Druck, Temperatur und dergleichen. Dieser Regelkreis wird unter anderem von verschiedenen Klassen als Labortestobjekt verwendet (Regelungstechnikmodell). Als spezielles Beispiel wird die Regelung einer Biogasanlage simuliert. Ziel ist es eine Anlage aufzubauen, die optimale Bedingungen zur Gaserzeugung schafft. Zur erleichterten Bedienung und zur Visualisierung wird ein Touchpanel verwendet. Teilaufgaben: Prinzip der Biogasanlage Prinzip des Regelungstechnikmodelles Programmierung WinCC Programmierung Step 7 Mechanischer Aufbau Sensoren und Verkabelung

4 IV Projektteam und Projektbetreuer Projektteam: Philipp Habersberger Michael Michelitsch Betreuungslehrer: Dipl. Ing. Manfred Dobaj

5 Kurzzusammenfassung V Bald hat der Mensch die Vorräte der natürlich vorkommenden fossilen Brennstoffe nahezu zur Gänze aufgebraucht. Auf Grund dessen wird es in der heutigen Gesellschaft immer wichtiger erneuerbare Energien zu finden, wie zum Beispiel die Nutzung von biologischen Abfallprodukten zur Biogasherstellung. Auch der Umweltaspekt ist nicht außer Acht zu lassen, da das annähernd CO 2 neutrale Biogas bei richtiger Verwendung umweltfreundlich abgebaut werden kann. Wichtig war es mit den uns zu Verfügung stehenden Mitteln eine vollständig funktionsfähige Biogasanlage zu bauen. Unsere Aufgabe war es die gesamte Sensorik zu integrieren um einen Biogasherstellungsprozess durchführen zu können. Weiters war es eine Aufgabe eine Einwegkreiselpumpe zu integrieren. Bei festem Anschluss der Schläuche war es nicht möglich die Flüssigkeit beliebig hin und her zu pumpen, deswegen musste auch ein Schlauchsystem überdacht werden dass dies möglich macht. Weiters war auch darauf zu achten dass alle Anzeigen der Messumuformer und der Informationsleuchten bzw. der Taster in Augenhöhe überblickbar sind, und dort angebracht und bedient werden können. Um es zu ermöglichen die Peripherie dezentral aufzubauen wurden die Vorteile verschiedener Vernetzungstechnologien genutzt. Grundsätzlich wurden hauptsächlich zwei moderne Arten genutzt um die Steuerung mit der Anlage und dem Bediengeräte zu verbinden. Bei vorhandener Vernetzung sollte es möglich sein das Bediengerät an jeder Stelle des Gebäudes montieren und einsetzen zu können. Die Biogasanlage sollte vollständig vom Bediengerät aus zu steuern sein. Einzelne wichtige Betriebsmodi sollten zusätzlich über vorhandene mechanische Taster bedient werden können. Die Messwerte und Ventilstellungen der Anlage sind vollständig vom Bediengerät auszugeben. Bei Ausfall des Bediengerätes können diese jedoch an den Messgeräten auch selbst ausgelesen werden. Durch diese Diplomarbeit, eine Kombination aus Mechanik, Elektrotechnik und Steuerungstechnik, haben wir uns Kenntnisse und Fähigkeiten angeeignet, die für unseren weiteren Werdegang mit Sicherheit nützlich sein werden.

6 Abstract VI Soon man will have consumed all stocks of the naturally occurring fossil fuels. Because of this it has became more important to (reference) harness renewable energy sources, such as the use of biological waste products to produce biogas., the environmental aspect is also very important, as the nearly CO 2 neutral biogas can be degraded in the environment with proper use. It was important to build a fully functioning biogas plant with the available resources which were given to us. Our ambition was to integrate the all sensors into a biogas producing process. A problem to solve was integrating a one-way centrifugal pump. The hoses are fixed and so it was not possible to pump the liquid back and forth, therefore we had to develop a tube system to make that possible. It was also necessary to ensure that all information lights, the buttons and the measuring converter are appropriately located at eye level, for easy controlling and operating. To enable the nonlocal assembling of the biogas plant we use the advantages of different networking technologies. Basically, two modern kinds were mainly used for the control of the plant and the touch panels connection. In the case of existing networks, it should be possible to mount the control unit at each point of the building. The biogas plant should be fully controlled from a touch panel control device. Some major modes of operation should be operating possibly on existing mechanical switches. The measurand and valve positions of the system are completely pointed on the touch panel. In case of failure of the control unit it should be also possbile to read the data from the measuring instruments themselves. Through this thesis, a combination of mechanical, electrical and control technology, we have acquired knowledge and skills that are useful for our further working life.

7 Danksagung VII An dieser Stelle möchten wir uns recht herzlich bei allen, die uns so tatkräftig unterstützt haben, bedanken. Ein großes Dank gilt, Dipl. Ing Manfred Dobaj, unserem Betreuungslehrer, für die Organisierung dieser Diplomarbeit und der tatkräftigen Unterstützung, bei Fragen und Problemen. Danken wollen wir der Landesberufsschule für Elektrotechnik in Eibiswald für die Vorarbeit an der Biogasanlage. Weiters möchten wir uns auch für die Unterstützung bei der mechanischen Fertigung des Gestelles durch die Werkstättenlehrer, Herrn Dipl. Päd. Ing. Manfred Achatz und Herrn Dipl. Päd. Ing. Paul Fürbass bedanken, sowie bei Herrn Dipl. Päd. Ing. Gerald Hart und Dipl. Päd. Ing. Johann Wartbichler. Bedanken wollen wir uns auch bei Herrn Dipl. Ing Peter Messerklinger für die Beschaffung dringend benötigter Teile und für die Bereitstellung seines Schlüssels für den Computerraum. Für die Bereitstellung der Räumlichkeiten möchten wir uns auch bei Herrn Mag. Markus Smole bedanken. Ein großer Dank geht auch an unsere Familien, Freundin und Freunde sowie allen anderen die uns unterstützt und unsere häufige Abwesenheit toleriert haben.

8 VIII

9 Inhaltsverzeichnis IX 1 DAS PROJEKTMANAGEMENT PROJEKT ARBEITSPAKETE UND STRUKTUR Beschreibung ZEITPLANUNG BIOGAS UND BIOGASANLAGE BIOGAS Allgemein Rohstoffe Bestandteile Eigenschaften Nutzung Umweltrelevanz Gefahren BIOGASANLAGE ALLGEMEIN Prinzipieller Aufbau und Funktion einer Biogasanlage Vor und Nachteile einer Biogasanlage Weiterverwertung des Gases BIOGASANLAGE DER DIPLOMARBEIT Beschreibung: AUFBAU DER BIOGASANLAGE /GERÄTEBESCHREIBUNGEN Grundgerüst Aufbau Frequenzumrichter (Micromaster OPMP) Kreiselpumpe (Nocchi VLR 4-20 D) CPU (314-2 DP) Dezentrale Peripherie (ET 200M) Temperatursensor (Omnigrad TR10) Drucksensor (Cerabar S PMC71)...20

10 X Durchflussmessgerät (Promass 83F Coriolis) Füllstandsmessgerät (FMR 231) Leitfähigkeitsmesser (Indumax P CLS50) PH-Messgerät (Orbisint CPS11) Redox-Messgerät (Orbisint CPS12) SICHERHEIT ELEKTRISCHE VERSORGUNG DER BIOGASANLAGE Klemmleiste für 24V Klemmleiste für 230V Digital OUT Baugruppe Digital IN Baugruppe REGELUNGSTECHNIKMODELL STEUERUNG DER BIOGASANLAGE EINLEITUNG VERFAHRENSSCHRITTE NETZWERKE Allgemeines Netzwerktechnologien Teilnehmer in den Netzwerken HARDWARE KONFIGURATION DAS PROGRAMM Bausteine Struktur Programmhierarchie Programmfunktionen (Übersicht) FUNKTIONALITÄTEN UND BAUSTEINE Das Füllprogramm Programm zur Gasüberwachung Das Umwälzprogramm Manueller Betrieb...54

11 XI Behälter leeren Programm WinCC Wertvorbereitungsfunktion Der Zweipunktreglerbaustein VISUALISIERUNG UND BEDIENEN DER ANLAGE BEDIENGERÄTE Einteilung der Bedienpanels Verwendung eines Touchpanels Verwendetes Panel OP 177B color PN/DP GRUNDLAGEN EINER VISUALISIERUNG Verwendung einer Visualisierung Verbindung zwischen SPS und Touchpanel (Visualisierung) Verwenden der Software WinCC flexible Aufbau des Visualisierungsprogramms...67 ABBILDUNGSVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS LITERATURVERZEICHNIS ANHANG... 79