Automatisierung einer Konservierungslinie mit LabVIEW

Das Projekt: Das veraltete Steuer- und Regelsystem, welches eine Konservierungslinie und einen Autoklaven steuert, mit einem Minimum an Programmieraufwand zu ersetzen. Insbesondere ist die präzise Regelung des Autoklaven wichtig, da eine Fehlfunktion zur Zerstörung des Inhaltes führen kann. Das System muss für eine maximale Benutzerfreundlichkeit und Anpassbarkeit entworfen werden.

Einführung

Das Ziel des Projekts war es, das bestehende, aber veraltete Automatisierungssystem, bestehend aus zwei verschiedenen SPS und separaten PID-Reglern, unserer Konservierungslinie zu ersetzen, weil diese Systeme nicht länger unterstützt wurden. Die Software musste komplett neu geschrieben werden, und ein neues System würde uns auch erlauben, mehr Funktionalität zu implementieren.
Die Pilze durchlaufen eine Reihe von Verarbeitungsschritten: Sie werden zuerst gewaschen, dann blanchiert und gespült, bevor sie zur Schneidemaschine gelangen. Die Dosen werden dann automatisch mit der richtigen Menge von geschnittenen Champignons gefüllt. Die Dosen werden anschliessend mit Wasser gefüllt und verschlossen. Die fertigen Dosen werden zum Schluss in einem Autoklav während 30 Minuten bei 117 °C und einem Überdruck von 1.5 bar sterilisiert. Der Überdruck ist nötig, um eine genügend hohe Temperatur erreichen zu können, aber auch um den Innendruck der Dosen zu kompensieren. Auch kurze Schwankungen des Drucks können die Dosen deformieren. Nebst den Dosen produzieren wir auch konservierte Champignons in Nylonbeuteln, diese sind noch empfindlicher auf Druckschwankungen während der Sterilisation und dem nachfolgenden Abkühlen.

Systemarchitektur

Im Lichte der Nachteile der traditionellen SPS hatten wir bereits in früheren, grösseren Projekten entschieden, die ganze Applikation in LabVIEW zu schreiben, da eine solche Lösung effektiv die Schwächen traditioneller Automatisierungssysteme vermeidet, und vermeidet, dass für die Messdatenerfassung ein separates System implementiert werden muss.

Die Visualisierung läuft auf dem PC, während der Rest des Programms auf dem Real-Time Controller läuft, welcher gekoppelt mit der I/O-Hardware im Schaltschrank untergebracht ist. Die Software für den PC und den Real-Time Controller ist identisch - es wäre also möglich, den Steuerungsteil auch auf dem PC ausführen zu lassen. In keinem anderen System auf dem Markt ist die Software wie hier durchgängig gleich - egal ob Windows, Linux oder Macintosh auf der einen Seite sowie Real-Time und FPGA Kontroller auf der anderen Seite.

Implementierung Mehr Bilder aus dem Programm

Die Software ist in mehrere verschiedene Teile unterteilt:

-          Die Automatisierung der gesamten Linie vor der Sterilisierung (Waschen, blanchieren spülen, schneiden, füllen & wägen, verschliessen).

-          Die Automatisierung des Autoklaven (Füllen und leeren).

-          Die Messdatenerfassung und Regelung des Autoklaven (Temperaturen und Drücke).

In der Vergangenheit wurden drei verschiedene Systeme für die drei Teile benötigt, wir haben jetzt mit der neuen Lösung die gesamte Funktionalität in LabVIEW nahtlos integriert.

Insbesondere wurden für die ersten zwei Teile SPS-Steuerungen und für den dritten Teil PID-Regler benötigt für die Regelung der Temperaturen und der Drücke. Die gesamte Funktion wird nun von der Software ausgeführt, der Automatisierungs- sowie der Regelungsteil. Bisher zeichnete ein Papierstreifenrekorder den Sterilisationsprozess auf. Mit der neuen Lösung ist dies nicht mehr nötig; die Daten werden laufend gespeichert und können später ausgewertet werden.

Bildschirmansicht der Autoklavensteuerung

Der Sterilisationsprozess kann jetzt ohne Überwachung einer Person durchlaufen, dank den zahlreichen Sicherheitsfunktionen, die in der Software eingebaut sind, welche auch viele Problemfälle automatisch korrigieren können. Die alten Steuerungen besassen kaum Sicherungsfunktionen und die Sterilisation musste daher dauernd überwacht werden. Ebenso gab es keine Visualisierung, aber mit LabVIEW ist es einfach, fortgeschrittene Visualisierungen – lokal und remote – zu erstellen.

Diskussion

In LabVIEW können alle Aspekte einer Automatisierungslösung wie Steuerungsfunktionen, Prozessautomatisierung, Fehlerkorrektur, Messdatenerfassung, Visualisierung, Datenbankintegration, Statistik etc., nahtlos integriert werden und alles kann in LabVIEW direkt programmiert werden.

Die Softwareingenieure müssen nur ein System kennen und können die gesamte Applikation mit dem gleichen Werkzeug erzeugen.
Sogar in dieser relativ kleinen Applikation benötigten die traditionellen Automatisierungs- und Steuerungslösungen zwei verschiedene Systeme (noch ohne Visualisierung), wie oben beschrieben. Was die Sache noch schlimmer macht: Diese Systeme sind immer proprietär und veralten nach einer gewissen Zeit. Spätestens dann wird der Hard- und Softwareunterhalt extrem schwierig.

Die LabVIEW Plattform ist sehr gut geeignet für Automatisierungslösungen. Diese Plattform kann traditionelle Automatisierungssysteme in allen Aspekten ersetzen und die Plattform unabhängig ist hier ein enormer Vorteil. Mit FPGA-Kontrollern zum Beispiel können Antwortzeiten im Mikrosekundenbereich realisiert werden.