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Eine
wichtige Komponente eines Kraftwerkes, insbesondere
bei Hochwasser, ist die Schleuse. Bei älteren
Anlagen werden die Schleusen teilweise noch
manuell betrieben, sei es die Schleuse für die
Hochwasserentlastung, oder die Schleuse an der
Ausleitung in den Triebwasserkanal. Mit relativ
geringem Aufwand kann eine automatische, pegelabhängige
Steuerung der Schleuse realisiert werden. Dadurch
wird eine höhere Sicherheit gegen Überschwemmungen
erreicht, und der Sollpegel für optimale Leistung
wird automatisch gehalten, wodurch auch die
Leistung gesteigert wird. Der erhöhte Komfort
sollte ebenfalls berücksichtigt werden, häufige
Kontrollen sind nicht mehr notwendig.
Die Anforderungen
an eine solche Schleusensteuerung sind:
Bei der hier vorgeschlagenen
Steuerung wird eine Kleinst-SPS (Speicher Programmierbare
Steuerung) "PHARAO 11" von der Firma
Theben verwendet. (Bild 1) Bei einer SPS werden
keine Relais verdrahtet, sondern die Logik,
z. B. UND, ODER-Gatter, werden am Bildschirm
mit Mausklick „zusammengeschaltet“. Die "PHARAO
11" hat sechs analoge oder digitale Eingänge,
wo entweder Schalter oder eine analoge Spannung
von 0 ... 10 Volt Gleichspannung angelegt werden
kann. Die Versorgungsspannung ist 24 Volt Gleichspannung.
Die vier Ausgänge sind als potentialfreie Schließer
ausgeführt, mit 8 A Belastung. Man damit kann
also nicht direkt einen Motor ansteuern, aber
die Relais dafür.
Schaltungsbeschreibung
Am Eingang I1 wird
über einen 470-Ohm Messwiderstand die Pegelsonde
(siehe "Wasserkraft & Energie“, 03/2003)
zur Messung des Wasserstandes angeschlossen.
Die weiteren Eingänge werden digital verwendet:
. Manuell / Automatik
(Schalter)
. Manuell "auf"(Taster)
. Manuell "ab" (Taster)
. Endschalter
unten
. Endschalter oben
.
Folgende Ausgänge
werden benutzt:
. Schleuse "auf"
. Schleuse "ab"
. Manuell bzw. Störung
(blinken)
. Hochwassermeldung
Die Steuerung
realisiert folgende Leistungsmerkmale:
1. Über die Taster
„manuell auf“ bzw. „manuell ab“ kann die Schleuse
bewegt werden. Es werden dabei die jeweiligen
Endschalter überwacht. Zusätzlich wird die Lampe
zur Anzeige für den Zustand „manuell“ eingeschaltet.
2. In der Schalterstellung
„Automatik“ sind die Taster „manuell auf“ bzw.
„manuell ab“ ebenfalls aktiv. Die Schleuse wird
auch automatisch abhängig von dem Pegel gesteuert.
Ist der Pegel höher als +10 cm, so wird die
Schleuse 5 Sekunden geöffnet, anschließend wird
60 Sekunden gewartet.
Als Nullpunkt wird
die Oberkante des Streichwehres definiert.
Ist der Pegel kleiner
als +5 cm, so wird die Schleuse wieder nach
unten gefahren, solange bis sie ganz geschlossen
ist.
Diese Werte sind
Grundeinstellungen und können direkt an der
SPS beliebig eingestellt werden.
3. Es ist eine Fehlerüberwachung
programmiert. Sind unterer und oberer Endschalter
gleichzeitig ausgelöst, so wird eine Störung
über eine blinkende Lampe realisiert.
4. Zusätzlich wird
der 4. Ausgang geschaltet, um bei einem Hochwasserpegel
von +20 cm ein Signal auszugeben. Das kann eine
Sirene sein, oder eine Fernwahleinrichtung,
die einen Anruf auf ein Handy bewirkt.
Schaltungsbeschreibung
Folgende Elemente
sind in der SPS realisiert:
1.Taster mit Verriegelung
gegen Doppelbetätigung, also gleichzeitig „auf“
und „ab“ der Schleuse (Abb.2).
Abb.2:Schaltung einer
Verriegelung
2. Analogmessung
der Pegelsonde mit Wandlung von 4 ... 20mA auf
0 ... 250 cm. Der Nullpunkt wird dabei als Sollpegel
oder Oberkante Streichwehr definiert (Abb. 3).
3. Vergleich
Messwert gegen Sollwert, für Öffnen, bzw. Schließen
(Abb. 3).
4. Zeitgeber
für 5 Sekunden öffnen bzw. schließen und 60
s warten (Abb. 3).
Abb. 3:Schaltung
Analogteil
5. Umschaltung „Automatik
/ manuell“, mit Ansteuerung Ausgang O3 (Abb.
4, oben).
6. Fehlererkennung
bei Endschalterüberschneidung (Abb. 4, Mitte).
7. Warnung
bei Hochwasser, hier +20cm (Abb. 4, unten).
8. Fehlermeldung
bei Drahtbruch an der Pegelsonde (Abb. 4, unten).
9. Anzeige
des Messwertes (Abb. 4, unten links).
Abb. 4:Schaltung
von Umschaltung, Anzeige und Sicherheit
Die gesamte Schaltung
ist in Abb. 5 dargestellt.
Abb. 5:Gesamtschaltung
Nur etwa ein Drittel
der vorhandenen Elemente der Steuerung werden
hier ausgenutzt. Würde man die Schaltung in
Relaistechnik aufbauen, so wären mehr als zehn
Relais notwendig, wobei die Messung des Pegels
mit Relais überhaupt nicht möglich ist.
Diese Kleinsteuergräte
oder auch Kleinst-SPS sind seit November 1999
im Handel. Neben der Serie "PHARAO"
von der Firma Theben gibt es mehrere Hersteller,
die ähnliche Kleinst-SPS anbieten. Alle sind
am PC programmierbar, und die Funktionen können
simuliert und getestet werden, was wesentlich
Arbeit spart und die Qualität der Schaltung
deutlich erhöht. Die Kosten für diese "PHARAO"-Steuerung
liegen bei ca. 185 Euro, einschließlich 24Volt-Stromversorgung;
für die Programmierung ist noch ein spezielles
Datenkabel und die Programmiersoftware notwendig.
Eine entsprechende Pegelsonde ist für ca. 270
Euro erhältlich.
Elektrische Installation
Die Kleinst-SPS
wird mit den Tastern und Endschaltern vom Elektriker
verdrahtet; dann wird ein erster Test in Stellung
„manuell“ durchgeführt. Beide Endschalter müssen
getestet werden. Ist die Sonde richtig justiert,
kann ein abschließender Test durchgeführt werden,
indem man den Pegel anhebt, z. B. die Turbine
abschaltet. Die Schleuse wird automatisch stufenweise
geöffnet, wenn die obere Grenze überschritten
wird. Der Pegel wird dann zuverlässig innerhalb
der oberen und unteren Grenze gehalten. Wenn
der Pegel jetzt wieder fällt, wird die Schleuse
wieder stufenweise geschlossen, bis zum unteren
Endschalter.
Ebenso ist es mit
einer solchen Kleinst-SPS möglich, die Steuerung
eines Rechens pegel- oder zeitgesteuert durchzuführen.
Sogar eine einfache Regelung einer Turbine ist
möglich. Erst durch den Einsatz dieser Kleinst-SPS
können solche komplexen Steuerungen kostengünstig
und zuverlässig realisiert werden.
Fazit
Durch den Einsatz
einer automatisch geregelten Schleuse bekommt
die Anlage eine höhere Sicherheit gegen Überschwemmung,
und auch ein Mehr an Leistung, da die Steuerung
immer den optimalen Wasserstand hält und kein
Wasser ungenutzt verloren geht. Zusätzlich erreicht
man auch einen höherer Komfort, da nicht ständig
kontrolliert und von Hand nachgeregelt werden
muss. – Trotzdem muss man sich bewusst sein,
dass bei jeder Automatik eine Störung auftreten
kann.
Quelle: Bedienungsanleitung,
Programmier-CD, Theben, PHARAO
Abb. 1 Klein-Steuerung
„Theben PHARAO“
Abb. 2 Schaltung
Verriegelung (OM)
Abb. 3 Schaltung
Analogteil (OM)
Abb. 4 Schaltung
Umschaltung, Anzeige und Sicherheit (OM)
Abb. 5 Gesamtschaltung
(OM)
Alle Beispielprogramme
wurden von uns nach bestem Wissen und Gewissen
erstellt und sorgfältig getestet. Für die Anwendung
und Kombination dieser Beispiele sowie für eventuell
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