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Gutes Klima im Reinraum

Text: Daniel Rothenberger, Beckhoff
Moderne Gebäudetechnik kann nicht nur den Energieverbrauch reduzieren, auch die Nutzung natürlicher Energieressourcen lässt sich auf diese Weise verbessern – sogar in hochsensiblen Produktionsumgebungen.

Das Schweizer Unternehmen Sensirion liefert Sensorkomponenten zum Beispiel in den Automobilbau, die Medizintechnik oder auch in die Konsumgüterindustrie. Am Hauptsitz bei Zürich wurde nun ein neues Produktionsgebäude errichtet, samt komplexer Gebäudetechnik und moderner Automatisierung. Verteilt über drei Etagen, auf einer Fläche von insgesamt 10 000 m², werden in Reinräumen auf hoch automatisierten Fertigungslinien Sensoren zur Messung von Feuchte, Temperatur, Gas- und Flüssigkeitsdurchfluss sowie Differenzdruck produziert. Herzstück der Klimatechnik des Produktionsgebäudes bilden Erdsonden und Wärmepumpen sowie ein eigenes Kühlsystem mit Wärmerückgewinnung, wodurch hohe Energieeinsparungen möglich sind. Mit der Planung und Realisierung der Gebäudeautomatisierung wurde Bühler+Scherler beauftragt, ein Solution-Partner von Beckhoff in der Schweiz.

Die Steuerungsarchitektur für die Gebäudetechnik umfasst vier Embedded-PCs der Serie CX5010, an die über 1000 Hardware-Datenpunkte angeschlossen sind. „Die überwiegende Zahl der I/Os betrifft die Kühlanlagen“, sagt Martin Müller, für die Systemtechnik zuständiger Projektleiter von Bühler+Scherler. Bei den Signaleingängen sind analoge Temperaturfühler, Feuchte- und andere Sensoren sowie Signalgeber angeschlossen. Auf der Ausgangsebene sind zahlreiche Frequenzumrichter zur Ansteuerung der Pumpenmotoren angekoppelt. „Die Sollwertvorgaben sind analoge Spannungssignale von 0 bis 10 V. Daraus bildet der Umrichter den Frequenzwert“, so Müller weiter. Zum Beispiel könne der Sollwert von 5 V Umrichter-intern zu einer Frequenz von 30 Hz führen. Meldet nun der zugehörige Sensor eines Frequenzumrichters, dass der Regelvorgang nicht die beabsichtigte Wirkung erzielt, wird die Sollwertvorgabe neu berechnet. Geregelt wird dieser Vorgang im Embedded-PC mit TwinCAT PLC. Für die I/O-Ebene sind Busklemmen in den Schaltschränken verbaut. Alle Beckhoff-Steuerungen sind über Ethernet vernetzt und kommunizieren über Modbus TCP/IP.

Natürliche Ressourcen nutzen

Zur Klimaregelung sind zwei Wasserspeicher mit je 60 000 l Fassungsvolumen zur Wärme- und Kälteerzeugung vorhanden. Um die Prozesssicherheit zu gewährleisten, wird das Wasser darin zwischengespeichert und nur bei Bedarf in die Lufterhitzer oder -kühler gepumpt. Trotz dieser gigantischen Volumina ist eine dedizierte Regelung im Einsatz – mit genauer Überwachung von Druck, Temperatur und weiterer Prozessgrößen. Auch die äußere Klimatechnik über Erdsonden und Wärmepumpen, wird mit einem CX5010 gesteuert. Kälte und Wärme werden einerseits von den Erdsonden erzeugt, und liefern, in Verbindung mit den vier Wärmepumpen, Energie zum Heizen und Kühlen. „Im Winter holen wir Wärme aus dem Erdboden und im Sommer Kälte“, beschreibt Martin Müller den Vorgang. Dabei ist ein Wärmetauscher im Einsatz, der auf der einen Seite Kaltwasser und auf der anderen Seite Warmwasser produziert, das in den jeweiligen Speicher transferiert wird. So wird mit den Speichern im Sommer der Kältebedarf und im Winter der Wärmebedarf abgedeckt. Im Bereich der Wärmepumpen sind Sensoren zur Druckerfassung im Einsatz, welche für die präzise Regulierung des Systemdruck-Sollwertes notwendig sind.

Die Temperaturerfassung an den Erdsonden wird zur Steuerung des Wärme- und Kältemanagements genutzt. Dieses ist einerseits von den tatsächlichen Temperaturen abhängig, andererseits von den Füllständen der Speicher. Es gibt auch Grenzbereiche, die eine steuerungstechnische Herausforderung darstellen: zum Beispiel wenn Kaltwasser produziert wird, obwohl die Temperatur im Kaltwasserspeicher schon tief genug ist. „So können wir keine Wärmepumpe mehr laufen lassen, weil diese jeweils Kalt- und Warmwasser gleichzeitig produzieren“, sagt Müller. „Dieser Fall wird regelungstechnisch abgefangen, und bei Überschreitung von Grenzwerten ein Alarm ausgelöst.“ Alle technischen Einzelgewerke werden aus qualitäts- und prozesstechnischen Gründen überwacht. Fällt ein Frequenzumrichter aus, generiert die Steuerung eine Meldung an das überlagerte Leitsystem. Dieses versendet dann – je nach Prioritätslage – eine Alarmmeldung per SMS oder E-Mail, damit eine entsprechende Maßnahme eingeleitet werden kann.

Übergeordnetes Leitsystem

Ein übergeordnetes Leitsystem protokolliert jede Alarmierung, einschließlich der Quittierung und Behebung. Die gesamte Gebäudesteuerung funktioniert jedoch auch dann, wenn das Leitsystem nicht verfügbar sein sollte. „Das Leitsystem ist eigentlich eine Visualisierung ohne steuerungstechnischen Zugriff auf Prozesse und Anlagen“, bringt es Müller auf den Punkt. „Das entspricht auch den üblichen Forderungen an die Gebäudeautomation. Die Visualisierung informiert über den Zustand der Anlage; die Vorgabe oder Änderung von Sollwerten und Parametern erfordert dagegen Expertenwissen.“

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