Zwischenabtauen ade: Die CO2-Verbundkälteanlage wurde so konzipiert, dass auf eine aufwändige Zwischenabtauung verzichtet werden kann.

Bild: iStock, 4kodiak

PC-basierte Steuerungstechnik in einer CO2-Verbundkälteanlage Tiefkühlen ohne Zwischenabtauung

19.02.2018

Die Firma Tekloth hat eine innovative CO2-Verbundkälteanlage konzipiert, die anders als die bisher am Markt verfügbaren Fleisch-Tiefkühlanlagen auf eine aufwändige Zwischenabtauung verzichten kann. Dank PC-based Control aus dem Hause Beckhoff lassen sich die entsprechenden Steuerungsfunktionen trotz der hohen Anlagenkomplexität einfach und komfortabel umsetzen.

Tekloth aus Bocholt ist ein Spezialist für technische Gebäudeausrüstung. Auf der Basis von PC-based Control hat Tek­loth die komplette Steuerungstechnik für eine von der Essener Firma Fischer Kälte-Klima gelieferte CO2-Verbundkälteanlage entwickelt. Die Anlage dient als Kühlaggregat in einem Tiefkühlfroster für geräuchertes und gepökeltes Schweinefleisch. Dabei wird das nach dem Räuchern noch 30 bis 40 Grad Celsius warme Fleisch im Froster bei mindestens –18 Grad Celsius schockgefrostet.

Allerdings bringt das Fleisch aufgrund seiner Wärme viel Feuchtigkeit in den Tiefkühlprozess ein. Diese Wärme sammelt sich am Verdampfer und friert diesen ein. Bei konventionellen Anlagen muss daher der Verdampfer in regelmäßigen Abständen abgetaut werden. Dieser Vorgang kostet wertvolle Energie.

Tekloth hat sich deshalb ein neues Konzept für die Verbundkälteanlage einfallen lassen. Der Entwickler Marco Möllenbeck, zuständig für Planung, Entwicklung und Vertrieb bei Tekloth, erläutert: „Durch den besonderen Anlagenaufbau und entsprechende Steuerungsfunktionen kann bei unserem System auf die übliche Zwischenabtauung verzichtet werden.“ Die Besonderheit liege in einem Umschaltventil, mit dem sich vom Normalkühl-(NK)- in den Tiefkühlbetrieb (TK) umschalten lässt. Normalerweise würden hierfür zwei getrennte Anlagen benötigt. Durch das neue Konzept verringern sich die Anschaffungskosten, auch der Energieverbrauch werde stark reduziert.

Zwei Betriebsarten vereint

Dank des Umschaltventils kann die Anlage als reine NK-Anlage im sogenannten transkritischen Bereich wie auch als Booster mit TK- und NK-Verdichtern betrieben werden. Für die Umschaltung zwischen den beiden Betriebsmodi sind zahlreiche steuerungstechnische Abläufe erforderlich, die mit einem Standardsystem nicht zu bewältigen sind.

Beim Umschaltprozess stoppt zunächst der NK-Betrieb und eine reine Umluftabtauung beginnt. Durch den NK-Betrieb hat eine energieoptimierte Kühlung im NK-Temperaturbereich stattgefunden, zudem wurde die Raumluft beziehungsweise die Oberfläche der Ware weitestgehend entfeuchtet – bei minimalem Einfrierungsgrad des Wärmetauschers im Verdampfer.

Christoph Holtschlag, bei Tekloth für Planung und Softwareentwicklung verantwortlich, erklärt: „Die vergleichsweise hohe NK-Verdampfungstemperatur von –6 Grad Celsius sorgt für ein möglichst geringes Gefrieren des Verdampfers.“ Ist eine Raumtemperatur von vier Grad Celsius erreicht, erfolgt eine Umschaltung auf den TK-NK-Booster – Raum und Ware werden jetzt auf die eigentliche Tiefkühltemperatur von –18 Grad Celsius gekühlt. Je nach Warenmenge und Verweildauer bei der Zieltemperatur kann dabei vollständig auf eine Zwischenabtauung verzichtet werden.

Bei der Umsetzung der komplexen Ablaufsteuerung hat sich Tekloth für PC-based Control entschieden, da diese Technologie eine große Flexibilität, zum Beispiel durch den modularen Systemaufbau und die freie Programmierbarkeit, aufweist. So konnte das Unternehmen auch bei der Kälteverbundanlage das komplette Steuerungsprojekt selbst programmieren und behielt so die Kontrolle über die Maschinensoftware. Systemänderungen und Anpassungen an Anwenderwünsche sind so ganz einfach möglich.

Vorteilhaft ist auch der durchgängige Einsatz der PC-basierten Steuerungstechnik, erläutert Christoph Holtschlag: „Ob für Lüftungs-, Kälte- oder Heizungsanlagen, Gebäudeautomation oder übergreifende Zentralsteuerungen, wir lösen alle steuerungs- und regelungstechnischen Anforderungen mit Beckhoff-Komponenten und -Software.“ Die universelle Einsetzbarkeit gewährleistet, dass sich alle von Tekloth entwickelten Softwaremodule effizient in allen Bereichen nutzen lassen. Die Systemoffenheit durch die Unterstützung vielfältigster Bussysteme ist ein weiteres Plus.

Mehrwert für Anwender erzielen

Auch aus marktwirtschaftlicher Sicht spricht vieles für PC-based Control. Steuerungen in der Kältetechnik sind verhältnismäßig anspruchsvoll. Die Beckhoff-Plattform bietet alle notwendigen Komponenten, um den Prozess in den eigenen Händen zu behalten, ihn effizient umzusetzen und einen deutlichen Mehrwert für den Anwender zu erzielen. Dies gilt auch für die aktuelle Kälteverbundanlage, da eine Umschaltung vom NK- in den TK-Betrieb in dieser Form von keinem Standard-Kälteregler unterstützt wird.

Als Hardwarebasis für alle Automatisierungsaufgaben, eine umfassende Datenaufzeichnung und eine leistungsfähige Visualisierung dient der Multitouch-Panel-PC CP2716 mit einem 15,6-Zoll-Display. Die I/O-Ebene ist modular und bedarfsgerecht aus digitalen und analogen Busklemmen aufgebaut, über die sich die Daten sämtlicher Sensoren und Aktoren sowie alle relevanten regelungstechnischen Größen erfassen lassen.

Über 150 Datenpunkte

Eingebunden in das Steuerungssystem sind beispielsweise PT1000-Sensoren und Sensoren für Hoch-, Mittel- und Niederdruck sowie für Temperaturen und den CO2-Gehalt in der Luft. Hinzu kommen die Betriebsrückmeldungen der Aggregate, verschiedene Soll-/Ist-Werte und regelungstechnische Kenngrößen.

Das System zeichnet bei Werteänderungen im Minutentakt über 150 Datenpunkte auf, was ein komplettes Abbild des Prozesszustands ermöglicht. Tritt in der Anlage eine Störung auf, werden die Daten sogar im Sekundentakt registriert. Auch die gesamte Stunde vor der Störung wird in dieser hohen Auflösung abgespeichert.

Optimale Kontrolle

Christoph Holtschlag ist begeistert, wie vollständig sich regelungstechnische Prozesse über PC-basierte Steuerungstechnik kontrollieren lassen: „Die flexible und komfortable Umsetzung mit PC-based Control und TwinCAT war mit entscheidend, um das entsprechende Know-how im eigenen Hause aufbauen beziehungsweise die Kältetechnik weiterentwickeln zu können.“

Dazu sei der Kälteprozess durch umfangreiche elektro- und programmiertechnische Entwicklungsarbeit in die Steuerungstechnik übertragen und gegenüber Standard-Kälteanlagen um zahlreiche neue Features erweitert worden. Dies sei nur mit den zusätzlichen Funktionen der PC-basierten Steuerungstechnik möglich, zum Beispiel grafischen Bedienoberflächen, Trenddaten-​Aufzeichnungen, Stör-Meldelisten und E-Mail-Benachrichtigungen.

Bildergalerie

  • Das Umschaltventil schaltet die CO2-Kälteverbundanlage vom Normal- in den Tiefkühlbetrieb.

    Bild: Beckhoff

  • Das auf dem Multitouch-Panel-PC dargestellte Anlagenschema verdeutlicht die hohe Systemkomplexität.

    Bild: Beckhoff

  • Die Tekloth-Experten Stefan Bollmann (Planung und Vertrieb), Christoph Holtschlag (Planung und Softwareentwicklung), Michael Holländer (Building Automation der Beckhoff-Niederlassung Rhein/Ruhr) und Marco Möllenbeck (Planung, Entwicklung und Vertrieb Kältetechnik bei Tekloth) vor den Schaltschränken der rechts zu sehenden CO2-Verbundkälteanlage (v. l. n. r.).

    Bild: Beckhoff

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