SPS-gestützte Regelung der Gärtemperatur

Dipl.-Ing. Dieter Bitterle

Bei zu hoher Gärtemperatur findet ein Abtöten der Hefebakterien, die für den Gärprozeß notwendig sind, statt. Auch bei zu niedrigen Temperaturen kann die Gärung nicht vollständig abgeschlossen werden. Die Gärtemperatur sollte im Bereich 20 bis 25°C liegen, wobei bei höheren Temperaturen die Gärzeit kürzer ist. Eine Schwankung der einmal festgelegten Temperatur darf dann maximal 0,5 bis 1°C betragen. Die Abkühlung der Gärtanks erfolgt durch kaltes Leitungswasser, das von oben an der äußeren Mantelfläche der zylinderförmigen Tanks herunterströmt (einige Liter pro Minute und pro Tank).

Bisher mußte die Gärtemperatur vom Kellermeister Tag und Nacht alle zwei bis drei Stunden kontrolliert und die Wassermenge dementsprechend von Hand reguliert werden. In der Winzergenossenschaft Auggen wurden 16 Gärtanks mit einer Höhe von 6 bis 10 m und einem Volumen von 15 000 bis 60 000l vom Handbetrieb auf den vollautomatischen Betrieb umgerüstet. Die Steuerung übernimmt dabei eine Simatic S7-200. Diese Mikro-SPS hat die Aufgabe, die Temperatur zu erfassen, sie durch Dosieren der Wassermenge konstant zu halten, die Meßwerte an einen zentralen Rechner zu senden und Störungen auf einem Text-Display anzuzeigen. Jeder Gärtank ist mit einem Pt-100-Meßfühler ausgerüstet, der die Temperatur im Inneren des Weintanks erfaßt. Zur Wasserregulierung dient je ein Magnetventil.

Die Winzergenossenschaft Auggen hat in ihrem Gebäude weit über 60 Gärtanks stehen. Da die Sensoren und Aktoren an den jeweiligen Tanks identisch sind, wäre es ideal, die vielen Einzelleitungen zusammenzufassen. Bei der Mikro-SPS S7-200 genügt eine einzige Zweidrahtleitung, um alle bis jetzt 16 betriebsfähigen Gärtanks zu steuern. Realisiert wird das Ganze durch das standardisierte Bussystem AS-i (Aktuator-Sensor-Interface), das ein 64adriges Kabel überflüssig macht. Bei Entfernungen bis 100 m gewährleistet dieses Bussystem eine störungsfreie Signalübermittlung. Für größere Strecken gibt es mit Hilfe eines Extenders die Möglichkeit zur Verlängerung.

Über den AS-i-Bus werden die Sensoren und Aktoren mit der nötigen Spannung versorgt, die einzelnen Module abgefragt bzw. angesteuert. Eine einzige Zweidrahtleitung dient der Spannungsversorgung, der Meßwerterfassung und den Steuersignalen. Durch sie reduziert sich der Verkabelungsaufwand erheblich. Es sind keine teuren, mehradrigen Kabel und vor allem keine aufwendigen Kabeltrassen notwendig, sondern ein einziges Kabelführungsrohr genügt. Zeitaufwendige elektrische Installationen in gefährlicher Höhe mit schweren Kabeln entfallen. Bei nachträglichen Installationen werden die neu zu steuernden Gärtanks einfach durch Verlängern der bisher existierenden Zweidrahtleitung angeschlossen. Es muß also keine neue Leitung von der SPS an die zusätzlichen Tanks verlegt werden.

Für die Umsetzung der Signale von Sensor und Aktor wird beim AS-Interface ein Modul als Slave benötigt. Jedes Modul hat Anschlußmöglichkeiten für je zwei Sensoren bzw. Aktoren. Die Aufgabe des Moduls ist es, die Energieversorgung und die Signale wieder aufzuteilen. Als Master fungiert das Erweiterungsmodul CP 242-2 direkt an der Simatic S7-216. Das Besondere an diesen Slave-Modulen ist die hohe Schutzart IP67. Die Module mußten nicht in ein Extra-Gehäuse eingebaut werden, ihre Montage erfolgte frei in der Nähe der Sensoren bzw. Aktoren am Tank. So ist die Zuleitung trotz Feuchtigkeit und Wasserspritzer kurz und störsicher zu halten.

Die Regelung der einzelnen Tanks basiert auf einem PID-Regler, dessen Algorithmus speziell auf diese Temperaturregelung angepaßt wurde. Dank der integrierten Gleitkommaarithmetik können alle erforderlichen Berechnungen in der Simatic S7-200 durchgeführt werden. Das Ausgangssignal der SPS steuert ein Magnetventil zur Regulierung der Wassermenge. Mit einem Taktzyklus von einer Minute, berechnet die SPS mit Hilfe des PID-Reglers die notwendige Taktzeit in Prozent (0 bis 100%).

Am Text-Display TD 200 zeigt die SPS alle relevanten Daten im automatischen Wechsel an. Im normalen Betrieb wird pro Sekunde jeder Tank mit seiner Nummer und der entsprechenden Solltemperatur im Klartext angezeigt. Überschreitet die Ist-Temperatur einen vorgegebenen Grenzwert, wird dieser als Alarmtemperatur visualisiert. Der automatische Anzeigenwechsel im Sekundentakt bleibt weiterhin bestehen, da es manchmal vorkommt, daß die Temperatur in mehreren Tanks überschritten wird. Zusätzlich zu den Statusanzeigen, löst die SPS optischen Alarm durch zwei blinkende Leuchten zentral am Schaltschrank aus. Eine geschickte Programmierung in der SPS erspart eine Elektronikschaltung für ein Wechselblinklicht (astabiler Multivibrator). Am Text-Display kann der Bediener die einzelnen Tanks auch manuell durchblättern und so eventuell eine Störung lokalisieren.

Zusätzlich ist ein Überwachungsprogramm für MS-Windows installiert. Durch die zweite serielle Schnittstelle RS 485 bei der verwendeten Simatic S7- 216, gelingt der Datentransfer sehr leicht und vor allem kostengünstig. Zur kontinuierlichen Überwachung der Gäranlage genügt ein Umsetzerkabel RS485/RS232 sowie ein lokaler PC mit der installierten Erfassungssoftware. Eine teure PC-Meßkarte zur Erfassung der analogen Temperaturwerte ist nicht erforderlich. Durch binäre Codierung der Daten ist die Kapazität einer üblichen Festplatte für Monate ausreichend. Damit lassen sich auch nachträglich Qualitätsanalysen durchführen.

Die Winzergenossenschaft Auggen verspricht sich von ihrer neuen Temperaturregelung eine wesentliche Arbeitserleichterung in der Hochsaison, eine genauere Temperierung des Weins und damit eine noch bessere Qualität. Zusätzlich wird der Trinkwasserverbrauch um ca. 25% auf das notwendige Minimum reduziert.

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