SPS-Programmierung am Beispiel des Brauprozesses - Universität ...
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Fachbereich 4<br />
Produktionstechnik<br />
Fachgebiet 08:<br />
Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik<br />
Laborskript<br />
<strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong><br />
<strong>am</strong> <strong>Beispiel</strong> <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong><br />
Herausgegeben von:<br />
Prof. Dr.-Ing. G. Goch<br />
Dr.-Ing. C. Ament<br />
Dipl.-Ing. W. Behrendt<br />
5. Auflage, Sept. 2005
Produktionstechnik IV: <strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> <strong>am</strong> <strong>Beispiel</strong> <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> 2<br />
Inhalt<br />
1. Einleitung.............................................................................................................. 3<br />
2. Der Brauprozess................................................................................................... 3<br />
2.1. Bier im Lauf der Zeit – Ein kleiner geschichtlicher Ausflug ............................. 3<br />
2.2. Die Grundstoffe <strong>des</strong> Bierbrauens - Malz, Hopfen, Hefe und Wasser ............. 4<br />
2.2.1. Malz .......................................................................................................... 5<br />
2.2.2. Hopfen ...................................................................................................... 5<br />
2.2.3. Hefe .......................................................................................................... 6<br />
2.2.4. Wasser ..................................................................................................... 6<br />
2.3. Der Werdegang eines Bieres – Der Ablauf <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> ..................... 7<br />
2.3.1. Das Maischen ........................................................................................... 7<br />
2.3.2. Abläutern .................................................................................................. 8<br />
2.3.3. Kochen...................................................................................................... 8<br />
2.3.4. Klärung ..................................................................................................... 9<br />
2.3.5. Kühlen....................................................................................................... 9<br />
2.3.6. Gärung...................................................................................................... 9<br />
2.4. Aufbau der Brauanlage................................................................................. 11<br />
2.5. Prozessablauf in der Sudanlage................................................................... 12<br />
2.6. Verfahrenstechnische Randbedingungen..................................................... 13<br />
2.6.1. Maischepumpe ....................................................................................... 13<br />
2.6.2. Maische- und Würzepfanne.................................................................... 13<br />
2.6.3. Füllstandsmessung................................................................................. 13<br />
2.6.4. Rühren .................................................................................................... 14<br />
2.6.5. Heizung................................................................................................... 14<br />
2.6.6. Waage .................................................................................................... 14<br />
2.6.7. Abluft....................................................................................................... 14<br />
3. Die Siemens S7 – 200 <strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> ............................................................ 14<br />
3.1. Elemente <strong>des</strong> Kontaktplans .......................................................................... 14<br />
3.2. Speicherarten ............................................................................................... 17<br />
4. Steuerungselemente der Brauerei-Anlage ......................................................... 18<br />
4.1. Binäre Ein- und Ausgänge............................................................................ 18<br />
4.2. Analoge Eingänge ........................................................................................ 19<br />
4.3. Regler ........................................................................................................... 20
Produktionstechnik IV: <strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> <strong>am</strong> <strong>Beispiel</strong> <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> 3<br />
4.4. Unterprogr<strong>am</strong>me........................................................................................... 20<br />
4.5. Progr<strong>am</strong>mablaufsteuerung ........................................................................... 20<br />
5. Durchführung <strong>des</strong> Laborversuches..................................................................... 21<br />
5.1. Versuchsaufbau............................................................................................ 21<br />
5.2. Vorbereitung <strong>des</strong> Labors .............................................................................. 21<br />
5.3. Einführende Aufgaben zur <strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong>........................................ 22<br />
5.4. Implementierung eines Teils <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> ......................................... 22<br />
6. Literatur .............................................................................................................. 23<br />
1. Einleitung<br />
Im vorliegenden Versuch soll an einem komplexeren <strong>Beispiel</strong> die Automatisierung<br />
eines verfahrenstechnischen Prozesses demonstriert werden. Hierzu wurde als anschauliches<br />
<strong>Beispiel</strong> der Brauprozess gewählt. Dieser Prozess soll in seinem Ablauf<br />
nur bis zum Beginn <strong>des</strong> Gärprozesses automatisiert werden, genau genommen handelt<br />
es sich dabei um einen „Sud“. Das Demonstrationsmodell der Anlage wurde<br />
hierzu mit der entsprechenden Sensorik und Aktorik ausgestattet. Die Anlage wird<br />
mit einer Speicherprogr<strong>am</strong>mierbaren Steuerung (<strong>SPS</strong>) gesteuert. Es wird hier eine<br />
S7-200 von Siemens eingesetzt, die auch industriell zur Lösung von Steuerungsaufgaben<br />
dieser Größe verwendet wird. Um die entwickelten <strong>SPS</strong>-Progr<strong>am</strong>me vorab in<br />
verkürzter Zeit testen zu können, wird die Steuerung an ein animiertes Prozessschaubild<br />
angeschlossen, mit dem alle Ein- und Ausgänge <strong>des</strong> Prozesses simuliert<br />
werden können.<br />
Im nachfolgenden Abschnitt wird nach [Kas97] in den Hintergrund <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong><br />
eingeführt und die Modellanlage vorgestellt.<br />
2. Der Brauprozess<br />
2.1. Bier im Lauf der Zeit – Ein kleiner geschichtlicher Ausflug<br />
Die Bierbrauerei stellt eines der ältesten und seit jeher eines der wichtigsten Verfahren<br />
zur Getränkeerzeugung dar, da der Genuss von Bier im Altertum den niederen<br />
Ständen vorbehalten war. Die Vornehmen der früheren Hochkulturen in Mesopot<strong>am</strong>ien,<br />
Ägypten und auch im alten Rom waren eher dem teureren Wein zugetan.<br />
Zur Bierherstellung wurde schon in der Vorzeit Gerste als Malz- und d<strong>am</strong>it Zuckerlieferant<br />
verwendet. So wurden etwa 3000 v. Chr. bereits 40 % der Gerstenernte in<br />
Mesopot<strong>am</strong>ien zur Bierbrauerei verwendet, um den riesigen Bedarf zu decken. Die<br />
erste Brauindustrie im großen Stil erstand jedoch erst im alten Ägypten, wo das Bier<br />
hek genannt wurde und süßlich schmeckte. Die Bitterkeit <strong>des</strong> Bieres, die durch das<br />
Würzen mit Hopfen verursacht wird, k<strong>am</strong> erst sehr viel später auf, da d<strong>am</strong>als Bier mit<br />
Alraun, Myrte und ähnlichem gewürzt wurde.
Produktionstechnik IV: <strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> <strong>am</strong> <strong>Beispiel</strong> <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> 4<br />
Ca. 1000 v. Chr. verlagerte sich dann das Zentrum der Bierherstellung vom Mittleren<br />
Osten nach Nordeuropa und d<strong>am</strong>it zu uns nach Deutschland. Der älteste Nachweis,<br />
dass in Deutschland Bier gebraut wurde, st<strong>am</strong>mt aus der Zeit um 800 v. Chr. In allen<br />
nördlichen Ländern war d<strong>am</strong>als wohl schon die Bierherstellung Brauch, da in alten<br />
Heldengedichten, wie der Edda oder der finnischen Kalewala Bier erwähnt ist. Vor<br />
allem zu kultischen Zwecken wurde Bier verwendet.<br />
Ab dem frühen Mittelalter nahmen sich die Klöster der Herstellung <strong>des</strong> Gerstensaftes<br />
an. Der umfangreichen und systematischen Versuche in den Klosterbrauereien verdanken<br />
wir heute wesentliche Erkenntnisse über das Bierbrauen. So schrieb als erste<br />
die Äbtissin und Naturforscherin Hildegard von Bingen im 12. Jahrhundert über<br />
den Nutzen vom Hopfen im Bier. Doch Neid der bürgerlichen Brauereien und die<br />
Säkularisation führten dazu, dass viele Klosterbraustätten und die dazugehörenden<br />
Schänken geschlossen wurden. Heute brauen nur noch elf Klöster ihr eigenes Bier,<br />
darunter so bekannte wie das Kloster Andechs und das Kloster Ettal.<br />
Zurück zum Hopfen. Im 15. Jahrhundert begann von Deutschland aus der Siegeszug<br />
<strong>des</strong> Hopfens in der Brautechnik. Seine Eigenschaften, Bier bitter und d<strong>am</strong>it durstlöschender<br />
zu machen und die Haltbarkeit <strong>des</strong> Bieres wesentlich zu erhöhen, führten<br />
dazu, dass trotz heftigem Widerstand seitens der traditionellen Bierhersteller und -<br />
genießer heute Hopfen aus der Bierbrauerei nicht mehr weg zu denken ist. Als einer<br />
der Vorreiter bei der Unterstützung <strong>des</strong> Hopfens muss der bayerische Herzog Wilhelm<br />
IV. genannt werden, der 1516 mit seinem Reinheitsgebot die wohl älteste lebensmittelrechtliche<br />
Vorschrift erließ. Kernaussage <strong>des</strong> Reinheitsgebots ist, dass zur<br />
Bierherstellung ausschließlich Gerstenmalz, Hopfen, Hefe und Wasser verwendet<br />
werden dürfen.<br />
Ab dem 19. Jahrhundert entwickelten sich, um den zunehmenden Bedarf zu decken,<br />
die ersten industriellen Brauereien. Vorgänge, die bis dahin noch manuell durchgeführt<br />
wurden, mussten nun mechanisiert werden. Gleichzeitig gewann die sich seit<br />
dem 18. Jahrhundert entwickelnde Wissenschaft mehr und mehr Einfluss auf die<br />
Herstellung von Bier. Nach und nach entwickelten sich wissenschaftliche Forschungszentren,<br />
in denen die Bierherstellung weiterentwickelt und systematisiert<br />
wurde. Die bekannteste davon ist die Bayerische Versuchs- und Lehrbrauerei Weihenstephan<br />
bei München, an der lange Zeit Ludwig Narziss als Leiter <strong>des</strong> Lehrstuhls<br />
für Technologie der Brauerei I lehrte und forschte. Ihm, der auch als Bierpapst in die<br />
Geschichte eingegangen ist, verdanken wir einiges an Literatur, in der der Großteil<br />
der theoretischen Grundlagen der Bierbrauerei detailliert erläutert wird - darunter<br />
auch [Nar92].<br />
2.2. Die Grundstoffe <strong>des</strong> Bierbrauens - Malz, Hopfen, Hefe und Wasser<br />
Wie bereits oben erwähnt, legte Herzog Wilhelm IV. in seinem Reinheitsgebot von<br />
1516 fest, dass zur Herstellung von Bier nur Gerste, Hopfen, Hefe und Wasser verwendet<br />
werden dürfen. Zum Glück für alle Liebhaber von Weizenbier wurde im Lauf<br />
der Zeit aus Gerste der Begriff Malz. Ansonsten besaß das Reinheitsgebot bis zu<br />
einem äußerst fragwürdigen Beschluss <strong>des</strong> EU-Gerichtshofs in Deutschland unein-
Produktionstechnik IV: <strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> <strong>am</strong> <strong>Beispiel</strong> <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> 5<br />
geschränkte Gültigkeit. Doch glücklicherweise wussten die deutschen Brauer, was<br />
sie ihren Kunden schuldig sind und halten sich nach einer freiwilligen Selbstverpflichtung<br />
noch immer an das Reinheitsgebot. Doch nun zu den Grundstoffen <strong>des</strong> Bierbrauens.<br />
2.2.1. Malz<br />
Auch heute wird noch wie vor 5000 Jahren hauptsächlich Gerste zur Bierherstellung<br />
verwendet. Zusätzlich dazu wird vorwiegend in Bayern Weizen als Braumalz verwendet.<br />
Sehr selten und nur bei kleinen Spezialbrauereien angetroffen werden können<br />
andere Getrei<strong>des</strong>orten wie Dinkel, Urkorn oder Roggen. Im Ausland dagegen<br />
wird aus so ziemlich allem, was Stärke enthält, Bier gebraut. Im folgenden wird davon<br />
ausgegangen, dass das Bier aus Gerstenmalz hergestellt werden soll.<br />
Am Anfang der Bierbrauerei steht die Mälzerei. Hier wird das Getreidewachstum, bei<br />
dem sich Stärke und Eiweiß <strong>des</strong> Korns in löslichere Formen umwandeln, beschleunigt<br />
und zu einem festgelegten Zeitpunkt unterbrochen. Als Braugerste kommt nicht<br />
jede Gerste in Frage. So muss die Gerste beispielsweise einen bestimmten natürlichen<br />
Wassergehalt haben, um Schimmelbefall zu vermeiden und um sie aber<br />
gleichzeitig leicht keimfähig zu halten. Auch Stärke- und Eiweißanteil im Korn muss<br />
bestimmte Werte erfüllen.<br />
Zum Mälzen <strong>des</strong> Getrei<strong>des</strong> wird dieses zuerst gereinigt und sortiert und anschließend<br />
in Wasser gelegt, bis es um etwa ein Drittel seiner Größe angeschwollen ist.<br />
Daraufhin wird es auf die Mälztenne befördert, als etwa zehn Zentimeter hohe<br />
Schicht ausgebreitet und unter gelegentlichem Wenden für etwa zehn Tage der<br />
Keimung überlassen. Nun wird dieses Grünmalz auf die Darre gebracht. Durch die<br />
Hitze der Darre wird die Keimung unterbrochen und das Malz getrocknet. Je nach<br />
Darrtemperatur entstehen unterschiedliche Malze, die später den Typ <strong>des</strong> Bieres<br />
beeinflussen: Je höher die Temperatur, <strong>des</strong>to dunkler das Bier. Das Malz sorgt also<br />
für den Gehalt an vergärbarem Zucker im Bier, für die Farbe und für die Neigung <strong>des</strong><br />
Bieres, zu schäumen.<br />
2.2.2. Hopfen<br />
Hopfen wird im Gegensatz zur Gerste nahezu ausschließlich zur Bierherstellung<br />
verwendet. Einziges zusätzliches Verwendungsgebiet ist die Medizin. Da Hopfen<br />
bestimmte Umgebungsbedingungen benötigt, um ertragreich zu gedeihen, gibt es in<br />
Deutschland nur wenige Anbaugebiete: die Hallertau, Spalt, im Hersbrucker Gebirge,<br />
in der Fränkischen Jura, in Tettnang und in der vorderen Rheinpfalz. Die wichtigsten<br />
Hopfensorten sind Hallertauer Mittelfrüher, Spalter Spätlese und Tettnanger. Woher<br />
die einzelnen Sorten st<strong>am</strong>men, sagen ja ihre N<strong>am</strong>en. Dabei muss auf eine Besonderheit<br />
hingewiesen werden. Tettnanger Aromahopfen wächst nur in Tettnang. Versuche,<br />
ihn in anderen Gebieten anzubauen schlugen alle fehl. Tettnang genießt d<strong>am</strong>it<br />
eine absolute Sonderstellung.
Produktionstechnik IV: <strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> <strong>am</strong> <strong>Beispiel</strong> <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> 6<br />
Nach der Hopfenernte werden die Hopfendolden, die für das Bierbrauen interessant<br />
sind, gereinigt und getrocknet. Meist werden sie dann gemahlen und wieder zu Pellets,<br />
das sind kleine längliche Stäbchen, gepresst und anschließend versand- und<br />
d<strong>am</strong>it verbrauchsfertig verpackt. Auf der Packung wird neben dem Hopfengewicht<br />
zusätzlich die Sorte und die α-Säuremenge im Beutel angegeben. Diese Angaben<br />
sind <strong>des</strong>halb wichtig, da die einzelnen Hopfensorten unterschiedlichen Einfluss auf<br />
den Geschmack der Biere haben. Hopfen bestimmt nämlich nicht nur die Bitterkeit<br />
eines Bieres durch seine α-Säuren, sondern auch den restlichen Geschmack durch<br />
ätherische Öle wesentlich mit. Zusätzlich dazu wird die Schaumstabilität und die<br />
Haltbarkeit <strong>des</strong> Bieres wesentlich durch den Hopfen verursacht. In Deutschland wird<br />
hauptsächlich Hallertauer mittelfrüher Aromahopfen verwendet.<br />
2.2.3. Hefe<br />
Zur Bierherstellung werden heute obergärige und untergärige Hefen verwendet. O-<br />
bergärige arbeiten bei 18 bis 20°C und s<strong>am</strong>meln sich vorwiegend an der Oberfläche,<br />
untergärige arbeiten bei 6 bis 10°C und setzen sich <strong>am</strong> Boden ab. Je nachdem, welche<br />
Hefe beim Brauen Verwendung fand, entstehen Biere mit unterschiedlichen<br />
Charakteristika in Geschmack, Kohlensäuregehalt und Haltbarkeit. Am gebräuchlichsten<br />
ist heute die untergärige Hefe, da vor allem untergärige Biere vom Verbraucher<br />
getrunken werden. Vor der Erfindung der Kältemaschinen wurde die Art der<br />
Gärung von der Jahreszeit bestimmt.<br />
Auch bei der Brauhefe stellen die Bierbrauer ähnlich hohe Anforderungen wie bei<br />
der Braugerste. Der Däne Emil Christian Hansen entdeckte in der Mitte <strong>des</strong> 19.<br />
Jahrhunderts, dass es nicht nur ober- und untergärige Hefen sondern auch viele andere<br />
Rassen mit zum Teil verheerenden Merkmalen für die Bierbrauerei gibt. 1881<br />
gelang es ihm erstmals eine einzelne Bierhefezelle zu isolieren und in Reinzucht zu<br />
vermehren. Dadurch wurde die Herstellung von Bier mit immer annähernd gleichem<br />
Geschmack und verbesserter Haltbarkeit ermöglicht.<br />
Viele Brauereien haben heute eigene Reinzuchten für ihre Brauhefen. Einige produzieren<br />
jedoch so viel Hefe, dass sie sie verkaufen. Da eines der schlimmsten Ereignisse,<br />
was einer Brauerei widerfahren kann, das Absterben der Reinkultur ist, existiert<br />
bei der Bayerischen Lehr- und Versuchsbrauerei in Weihenstephan eine Hefebank<br />
ähnlich einer Blutbank. In dieser Hefebank haben viele Brauereien Hefezellen<br />
ihrer Reinkulturen deponiert, um eben im Falle <strong>des</strong> Absterbens der hauseigenen Kultur<br />
noch eine winzige Reserve zur Aufzucht einer neuen Reinkultur zu haben.<br />
2.2.4. Wasser<br />
In früheren Zeiten wurde zum Bierbrauen je<strong>des</strong> Wasser verwendet. Da dieses jedoch<br />
auch Einfluss auf Geschmack und Haltbarkeit hat, wird heute nur bestes<br />
Quellwasser bzw. Grundwasser, das vor allem in der Schadstoffbelastung weit unter<br />
den lebensmittelrechtlichen Grenzwerten liegt, zum Bierbrauen verwendet. Zu diesem<br />
Zweck verfügt jede Brauerei über einen oder mehrere Brunnen, die in die dritte
Produktionstechnik IV: <strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> <strong>am</strong> <strong>Beispiel</strong> <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> 7<br />
und manchmal auch in die vierte Grundwassersohle reichen. Da jedoch in den letzten<br />
Jahrzehnten aufgrund überhöhter Düngung in der Landwirtschaft und zunehmendem<br />
Schadstoffausstoß der Industrie und <strong>des</strong> Straßenverkehrs die Grundwasserqualität<br />
immer mehr abnimmt und neue Brunnen zu teuer wären, bereitet sich die<br />
industrielle Brautechnik auf den Einstieg in Bierbrauen mit Leitungswasser vor. Die<br />
Auswirkungen auf die Qualität der deutschen Biere sind jedoch nicht abzusehen.<br />
2.3. Der Werdegang eines Bieres – Der Ablauf <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong><br />
Gleich eines vorweg: Die hauptsächliche Beschäftigung beim Bierbrauen ist Putzen.<br />
Da zum einen mit einer Zuckerlösung gearbeitet wird und sich dadurch leicht<br />
Schimmelpilze und Bakterienstämme entwickeln können und zum anderen ein<br />
hochwertiges Lebensmittel ohne künstliche Konservierungsstoffe hergestellt wird, ist<br />
Sauberkeit in der Bierbrauerei oberstes Gebot. Deshalb müssen immer wieder alle<br />
Gefäße gereinigt und <strong>des</strong>infiziert werden. Dazu ist <strong>am</strong> besten Putzen mit heißem<br />
Wasser und Spülmaschinenreiniger und anschließen<strong>des</strong> Spülen mit saurer und alkalischer<br />
Lösung geeignet. Doch nun zum eigentlichen Thema dieses Abschnitts.<br />
In Bild 2.1 ist die Untergliederung <strong>des</strong> Brauvorgangs in einzelne Teilstufen dargestellt.<br />
Als erstes fällt dem aufmerks<strong>am</strong>en Leser vielleicht auf, dass das Mälzen der<br />
Braugerste nicht mit abgebildet ist. Das liegt daran, dass viele kleinere Brauereien<br />
keine eigenen Mälzereien mehr unterhalten und statt <strong>des</strong>sen ihr Malz von industriellen<br />
Mälzereien oder anderen Brauereien beziehen.<br />
Malz<br />
Wasser<br />
Maischprozeß<br />
Abläutern Kochen Klärung Kühlen Gärung<br />
Wasser<br />
Hopfen<br />
Bild 2.1: Untergliederung <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong><br />
2.3.1. Das Maischen<br />
Beim Maischen werden die Eiweiße <strong>des</strong> Malzes in Wasser gelöst. Dazu wird zunächst<br />
Wasser auf 50 °C aufgeheizt. Anschließend wird geschrotetes Malz dem<br />
Wasser zugegeben. Daraufhin wird die Maische unter ständigem Rühren mit einer<br />
Temperaturgradienten von ca. 1 °C pro Minute weiter erwärmt. Bei einigen Temperaturen<br />
werden sogenannte Rasten durchgeführt, während denen die Temperatur der<br />
Maische konstant gehalten wird und in der Maische verschiedene Emzymreaktionen<br />
stattfinden:<br />
• Bei ca. 54 °C findet die Eiweißrast statt. Dabei werden die Eiweiße <strong>des</strong> Malzes im<br />
Wasser gelöst.<br />
• Bei ca. 61 °C wird dann die gelöste Stärke in Malzzucker umgewandelt. Man<br />
spricht <strong>des</strong>halb von der Maltoserast.
Produktionstechnik IV: <strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> <strong>am</strong> <strong>Beispiel</strong> <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> 8<br />
• Die Verzuckerungsrast, bei der die Reststärke in Zucker umgewandelt wird, findet<br />
bei ca. 72 °C statt.<br />
• Zuletzt wird bei ca. 78 °C die Maischerast durchgeführt. Dadurch werden alle in<br />
der Maische vorhandenen Enzyme zerstört und der Verzuckerungsprozess angehalten.<br />
Das Maischen ist d<strong>am</strong>it abgeschlossen. Nun wird die Maische in den Läuterbottich<br />
umgepumpt und es beginnt das<br />
2.3.2. Abläutern<br />
Beim Abläutern wird die Maische in ihre festen Bestandteile - die Treber - und ihre<br />
flüssigen Bestandteile - die Vorderwürze - getrennt. Das erfolgt durch einen einfachen<br />
Filterprozess. Als Filter dient dabei zum einen ein regelmäßig gelochtes Messingblech<br />
- der Senkboden - <strong>am</strong> Boden <strong>des</strong> Läuterbottichs und zum anderen der<br />
Treberkuchen, der sich auf dem Senkboden durch Ablagerung der Treber aufbaut.<br />
Da der Treberkuchen durchlässig sein muss, ist es besonders wichtig, dass bei der<br />
Konditionierung <strong>des</strong> Schrotes darauf geachtet wird, dass die Spelzen der Malzkörner<br />
nicht zu klein gemahlen werden und gleichzeitig nicht zu viel Mehl beim Schroten<br />
anfällt. Das Mehl würde sich nämlich mit dem Wasser zu einem Teig verbinden, der<br />
sich oben auf dem Treberkuchen ablagert und d<strong>am</strong>it die Poren <strong>des</strong> Treberkuchens<br />
verstopft. Sind die beim Umpumpen durch den Siebboden gelangten festen Bestandteile<br />
mit der sog. Trübwürze zurück in den Läuterbottich gepumpt worden, beginnt<br />
das eigentliche Abläutern. Durch ein unter dem Läuterbottich angebrachtes<br />
Regelventil (in der Modellanlage ein pulsweitenmoduliertes Schaltventil mit kleiner<br />
Bohrung) wird ein gleichmäßiger Ablauf der Würze mit etwa 0.3l/min aus dem Läuterbottich<br />
eingestellt. Dieser Volumenstrom darf nicht zu stark sein, da sich sonst der<br />
Treberkuchen zus<strong>am</strong>menzieht und d<strong>am</strong>it undurchlässig wird. Wenn die Vorderwürze<br />
abgeläutert ist, werden, um die restlichen Zucker aus dem Treberkuchen auszulösen,<br />
mehrere Heißwassergaben auf den Treberkuchen aufgebracht. Die Temperatur<br />
dieser Gaben soll min<strong>des</strong>tens. 78 °C betragen. Dieser Vorgang wird Anschwänzen<br />
genannt. Die hierbei entstehende Hinterwürze wird dann ebenfalls abgeläutert. Da<br />
nun nicht mehr zwischen Vorder- und Hinterwürze unterschieden werden kann,<br />
spricht man jetzt nur noch von Würze. Der Extraktgehalt dieser Würze sollte zwischen<br />
10 und 11 % St<strong>am</strong>mwürze liegen. D<strong>am</strong>it ist der Massenanteil an gelöstem und<br />
d<strong>am</strong>it vergärbarem Zucker gemeint. Nun kann die Würze in die Sudpfanne gepumpt<br />
und dort unter Zugabe von Hopfen gekocht werden.<br />
2.3.3. Kochen<br />
Das Kochen ist notwendig, um mehrere Vorgänge stattfinden zu lassen. Zum einen<br />
wird während <strong>des</strong> Kochens überschüssiges Wasser aus der Würze verd<strong>am</strong>pft. Dadurch<br />
erhöht sich der Extraktgehalt der Würze. Er sollte nach der Kochung bei etwa<br />
12,5 % St<strong>am</strong>mwürze liegen. Gleichzeitig werden die noch in der Würze befindlichen<br />
Enzyme und nicht in Zucker gespaltene Eiweiße denaturiert. Die denaturierten Stoffe
Produktionstechnik IV: <strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> <strong>am</strong> <strong>Beispiel</strong> <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> 9<br />
verklumpen dann während <strong>des</strong> Kochens und können so später leicht von der Würze<br />
getrennt werden.<br />
Wesentlich ist, dass in dieser Phase auch der Hopfen beigegeben wird. Zu Beginn<br />
<strong>des</strong> Kochens wird eine erste Hopfengabe der Würze zugegeben. Der Hopfen liegt in<br />
getrockneter, portionierter Form vor. Diese sogenannten Hopfen-Pellets können mit<br />
Hilfe <strong>des</strong> Hopfenspenders (siehe Bild 2.2) portionsweise in die Maisch-Würze-<br />
Pfanne gegeben werden. Durch das Kochen lösen sich die α- und β-Säuren und die<br />
ätherischen Öle aus dem Hopfen. Gleichzeitig werden die α- und die β-Säuren in isoα-Säuren<br />
umgewandelt. Diese sorgen für die Bitterkeit <strong>des</strong> späteren Bieres. Leider<br />
verd<strong>am</strong>pfen beim Kochen viele ätherische Öle und andere Geschmacksstoffe <strong>des</strong><br />
Hopfens. Deshalb wird kurz vor Ende der Hopfenkochung eine weitere Hopfengabe<br />
dem Sud zugegeben. Diese Hopfengabe soll etwa 25 % der Masse der ersten Gabe<br />
haben. Sie sorgt für das typische Hopfenaroma <strong>des</strong> Bieres. Manche Quellen empfehlen<br />
die 1.Hopfengabe zu splitten und die 2.Hälfte in der Mitte der Kochzeit zuzugeben.<br />
2.3.4. Klärung<br />
Im Anschluss an die Hopfenkochung wird die Würze in den Whirlpool tangential eingeleitet.<br />
Durch die dabei entstehende Drehung lagern sich die Feststoffe <strong>des</strong> Hopfens<br />
und die verklumpten Eiweiße als Kegel in der Mitte <strong>des</strong> Gefäßes ab. Dort befindet<br />
sich ein Einsatz mit ca. 5 cm hohem, puntgeschweißtem Rand, der den Kegel<br />
beim Ablassen zurückhält, die Flüssigkeit aber langs<strong>am</strong> durchsickern lässt.<br />
2.3.5. Kühlen<br />
Die so gereinigte Würze wird in einen Kühler geleitet und dort mit Leitungswasser<br />
(das danach ges<strong>am</strong>melt und zur anschließenden Reinigung verwendet wird) auf ca.<br />
20°C abgekühlt. Verfügt man nicht über eine Möglichkeit zur Extraktgehaltmessung<br />
während <strong>des</strong> Kochens, so bestimmt man nun den Gehalt an gelöstem Zucker. Bei<br />
obergärigem Bier kann jetzt direkt die Hefe zugegeben werden, da die Gärtemperatur<br />
von obergärigen Brauhefen bei 18 bis 20 °C liegt. Will man jedoch ein untergäriges<br />
Bier herstellen, so muss die Würze noch weiter abgekühlt werden. Nur in speziellen<br />
Fällen, wie Trockenhefe, alte Hefezellen oder Schnellgärung, ist ein Anstellen<br />
mit untergärigen Hefen über einer Temperatur von 6 °C zulässig. D<strong>am</strong>it ist der zu<br />
automatisierende Teil <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> beendet.<br />
2.3.6. Gärung<br />
Dabei unterscheidet man zwei aufeinander folgende Stufen. Bei der zunächst stattfindenden<br />
Hauptgärung werden etwa 10 % St<strong>am</strong>mwürze durch den Hefestoffwechsel<br />
in Alkohol und Kohlendioxid umgewandelt. Da jedoch diese Gärung meist in offenen<br />
Gefäßen durchgeführt wird, entweicht ca. 95 % <strong>des</strong> Kohlendioxids in die umgebende<br />
Atmosphäre. Da jedoch das Bier später perlen und eine Schaumkrone bilden
Produktionstechnik IV: <strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> <strong>am</strong> <strong>Beispiel</strong> <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> 10<br />
soll, muss es vor dem vollständigen Vergären in die zukünftigen Gebrauchsgefäße -<br />
also Flaschen bzw. Fässer – möglichst ohne Lufteinschluss abgefüllt und luftdicht<br />
verschlossen werden. Dabei muss vor allem darauf geachtet werden, dass bei dem<br />
Abfüllen - dem Schlauchen - so wenig wie möglich Hefe mit in die Gefäße gelangt,<br />
da diese beim späteren Ausschenken aufgewirbelt werden kann und das Bier dann<br />
trüben würde. Doch muss man eines sagen: eine vollständige Abscheidung der Hefe<br />
zu diesem Zeitpunkt wäre unsinnig, da für die Nachgärung noch Hefe benötigt wird.<br />
Dazu genügen allerdings die noch im Jungbier treibenden Hefezellen. Diese bauen<br />
nun über mehrere Wochen hinweg den Restzucker im Jungbier ab und wandeln ihn<br />
in Alkohol und Kohlendioxid um. Da nun kein Gas mehr aus den Gefäßen entweichen<br />
kann, löst sich das Kohlendioxid im Bier und bildet so die für das spätere Perlen<br />
und das Ausbilden einer Schaumkrone verantwortliche Kohlensäure.<br />
Zum Abbau von Diacethyl, einem ranzig schmeckendem und Kopfschmerz verursachendem<br />
Nebenprodukt, wird (auch das untergärige) Bier noch einen Tag bei Raumtemperatur<br />
gelagert. Danach wird es zunächst auf ca. 8°C und dann pro Tag ein<br />
Grad weiter bis –1°C abgekühlt. Nach ca. 6 Wochen (bei obergärigem Bier genügen<br />
2) ist dann die Nachgärung und Reifung abgeschlossen und das fertige Bier zum<br />
Verzehr bereit.
Produktionstechnik IV: <strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> <strong>am</strong> <strong>Beispiel</strong> <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> 11<br />
2.4. Aufbau der Brauanlage<br />
Zur Durchführung <strong>des</strong> Praktikumsversuchs wurde ein Demonstrationsmodell einer<br />
automatisierbaren Brauanlage aufgebaut. Die Grundstruktur dieser Anlage ist in Bild<br />
2.2 wiedergegeben.<br />
Whirlpool<br />
(WP)<br />
Vorratsbehälter<br />
(Malz)<br />
Läuterbottich<br />
(LB)<br />
Hopfendosierer<br />
Senkboden<br />
Trübstoffeinsatz<br />
V4<br />
Mühle<br />
Rührmotor<br />
Spülmittelspender<br />
Schauglas<br />
V7<br />
P<br />
Sensor<br />
Füllstand LB<br />
Regelventil<br />
V1<br />
V9 Bypass<br />
Waage<br />
Kühler<br />
Abluftventilator<br />
V13<br />
Kühlwasser<br />
Maische- und<br />
Würzepfanne<br />
(MWP)<br />
Vorlaufgefäß<br />
(VG)<br />
Kühlwasser-<br />
rücklauf<br />
H oben<br />
Heizung<br />
H unten<br />
T<br />
Sensor<br />
Temperatur MWP<br />
Sensor T<br />
Temperatur<br />
Kühler<br />
V5<br />
P<br />
Sensor<br />
Füllstand MWP<br />
Schauglas<br />
V6<br />
P<br />
Sensor<br />
Füllstand VG<br />
Hand<br />
ventil<br />
V10<br />
V10<br />
V2<br />
V8<br />
Zulauf<br />
V12<br />
V3<br />
Ablauf<br />
V11<br />
Pumpe<br />
Bild 2.2: Fließbild der Sudanlage
Produktionstechnik IV: <strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> <strong>am</strong> <strong>Beispiel</strong> <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> 12<br />
2.5. Prozessablauf in der Sudanlage<br />
Eine Zus<strong>am</strong>menstellung der nacheinander abfolgenden Schritte kann der Tabelle<br />
2.1 entnommen werden. Die Schritte sind im einzelnen beschrieben und können sollen<br />
die Basis für die Entwicklung <strong>des</strong> Steuerungsprogr<strong>am</strong>ms bilden. Außerdem zu<br />
berücksichtigende Randbedingungen sind im Abschnitt 2.6 erläutert. Im <strong>SPS</strong>-<br />
Progr<strong>am</strong>m ist meist noch weitere Untergliederung der Schritte notwendig!<br />
Nr. Unterschritt Zustand<br />
0.1.1 Aus Ruhezustand<br />
1. Einmaischen<br />
1.1.1 Wasser vorlegen MWP mit 13 l Frischwasser füllen<br />
1.1.2 Heizen auf 50°C<br />
1.2.1 Senkboden <strong>des</strong> LB füllen 3 l aus der MWP in den Senkboden <strong>des</strong> LB füllen<br />
1.3.1 Schroten Zugabe von 4kg Malz Schrot in MWP (in 400g-Schritten)<br />
1.4.1 Maischen Lineare Temperaturerhöhung mit 1° pro Minute auf 54°C<br />
1.4.2 Eiweißrast 15min. Rast bei 54°C<br />
1.4.3 Lineare Temperaturerhöhung mit 1° pro Minute auf 61°C<br />
1.4.4 Maltoserast 40min. Rast bei 61°C<br />
1.4.5 Lineare Temperaturerhöhung mit 1° pro Minute auf 72°C<br />
1.4.6 Verzuckerungsrast 30min. Rast bei 72°C<br />
1.4.7 Lineare Temperaturerhöhung mit 1° pro Minute auf 78°C<br />
1.4.8 Maischerast 20min. Rast bei 78°C<br />
1.5.1 Abmaischen MWP umpumpen in den LB<br />
1.5.2 Maischeruhe 5min. Maischeruhe<br />
MWP mit 13 l Frischwasser<br />
füllen und auf<br />
2. Abläutern<br />
80° C heizen<br />
2.1.1 Abläutern Aus dem LB mittels Abläuterregler<br />
mit 0,3 l / min in das VG abläutern<br />
2.2.1 Trübwürze aus dem VG in den LB<br />
umpumpen<br />
2.3.1 1.Anschwänzen Mit ca. 6l 80° heißem Wasser aus<br />
der MWP<br />
2.3.2 Abläutern Aus dem LB mittels Abläuterregler<br />
mit 0,3 l / min in das VG abläutern<br />
2.3.3 2.Anschwänzen Mit den restlichen 7l Wasser aus der MWP anschwänzen<br />
2.3.4 Abläutern Aus dem LB mittels Abläuterregler mit 0,3 l / min in das VG<br />
abläutern<br />
2.4.1 MWP spülen Maischereste aus der MWP spülen, MWP entleeren<br />
2.5.1 Umpumpen Umpumpen vom VG in die MWP<br />
3. Kochen<br />
3.1.1 Kochen Heizen auf 100°C<br />
3.1.2 5 min. kochen (>97°C)<br />
3.2.1 1. Hopfengabe aus Hopfenspender hinzugeben (40%)
Produktionstechnik IV: <strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> <strong>am</strong> <strong>Beispiel</strong> <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> 13<br />
Nr. Unterschritt Zustand<br />
3.2.2 25 min. kochen<br />
3.3.1 2. Hopfengabe Aus Hopfenspender hinzugeben (40%)<br />
3.3.2 25 min. kochen<br />
3.4.1 3. Hopfengabe aus Hopfenspender hinzugeben (20%)<br />
3.4.2 5 min. kochen<br />
4. Klärung<br />
4.1.1 Ausschlagen MWP in den WP umpumpen<br />
4.1.2 Whirlpoolrast Rast 10 min.<br />
5. Kühlen<br />
5.1.1 Ablassen Ablassen vom WP in den Kühler<br />
5.1.2 Kühlen Kühlen bis 20°C erreicht sind<br />
Tabelle 2.1: Tabellarische Zus<strong>am</strong>menfassung der Abläufe beim Sud<br />
2.6. Verfahrenstechnische Randbedingungen<br />
2.6.1. Maischepumpe<br />
Bei der Maischepumpe handelt es sich um eine Kreiselpumpe, die grundsätzlich nie<br />
trocken laufen darf und nur dann ihre volle Leistung erreicht, wenn sie vollständig<br />
entlüftet ist. Da ihr Ablauf nach oben gerichtet ist, erreicht man das einfach durch<br />
gleichzeitiges Öffnen <strong>des</strong> Ablaufs <strong>des</strong> zu entleerenden Behälters (V5 oder V6) und<br />
eines Behälterzulaufs (V2, V8 oder V11) für min<strong>des</strong>tens 20s.<br />
2.6.2. Maische- und Würzepfanne<br />
D<strong>am</strong>it sich das Schauglas der Maische- und Würzepfanne beim Maischen nicht mit<br />
Malz zusetzt, wird gleichzeitig mit dem Schließen <strong>des</strong> Ablaufventils (V5) ein Stopfen<br />
durch die Hohlwelle <strong>des</strong> Rührers in die Ablauföffnung gesenkt. Die groben Anteile<br />
werden dadurch in der Maische- und Würzepfanne zurückgehalten, die hydrostatische<br />
Verbindung zum Füllstandssensor im Schauglas bleibt erhalten. Die Entlüftung<br />
den Maischepumpe muss vor der Malzzugabe abgeschlossen werden, während ges<strong>am</strong>ten<br />
Maischvorganges muss der Ablauf geschlossen bleiben.<br />
2.6.3. Füllstandsmessung<br />
Die Füllstandsmessung über Drucksensoren ergibt nur bei geschlossenem Ablaufventil<br />
korrekte Werte, bereits das Rühren in der Maisch- und Würzepfanne verfälscht<br />
die Messung merklich. Beim Abpumpen empfiehlt sich daher folgen<strong>des</strong> Vorgehen:<br />
- Soll ein Behälter nur teilentleert werden, dann bestimmt man die umzupumpende<br />
Flüssigkeitsmenge über den Füllstand <strong>des</strong> Zielgefäßes.<br />
- Zur vollständigen Entleerung zieht man zusätzlich zum erwarteten Endfüllstand<br />
<strong>des</strong> Zielgefäßes (-10% Sicherheitsabschlag, d<strong>am</strong>it das Progr<strong>am</strong>m nicht hängen<br />
bleibt) die Füllstandsänderung <strong>des</strong> Zielgefäßes heran, die ebenfalls als Variable<br />
(siehe Tab 4.2) zur Verfügung steht.
Produktionstechnik IV: <strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> <strong>am</strong> <strong>Beispiel</strong> <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> 14<br />
2.6.4. Rühren<br />
D<strong>am</strong>it der Rührer die verschiedenen Anforderungen beim Heizen, Einmaischen und<br />
Abpumpen optimal erfüllt, können Drehzahl und Drehrichtung über 2 binäre Ausgänge<br />
(Tab 4.1) verändert werden:<br />
- Beim Schroten sollte mit A1.1/“schnellR“ auf die höhere Drehzahl geschaltet werden.<br />
- Vor dem Abpumpen muss der Rührer für ca. 2s ausgeschaltet und dann mit<br />
A3.2/“rückwR“ langs<strong>am</strong> in umgekehrter Drehrichtung betrieben werden. Die speziell<br />
geformten Flügel befördern dann die festen Bestandteile der Maische zum<br />
Ablauf.<br />
2.6.5. Heizung<br />
Nach schlechten Erfahrungen mit Heizschlangen wird die Heizwärme großflächig<br />
indirekt über die Behälterwand mit 2 Heizbändern von je 10cm Höhe eingebracht.<br />
Um Defekten durch zu geringe Füllstände vorzubeugen, schaltet das Betriebssystem<br />
das untere Heizband erst ab einem Füllstand von 6l, das obere ab 11l aktiv, d.h.<br />
Wassermengen unter 6l können gar nicht erwärmt werden.<br />
2.6.6. Waage<br />
Das Kippen der Waage geschieht mittels eines gedämpften, pneumatischen Drehantriebs,<br />
der ca. 5s für eine Drehung benötigt.<br />
In der Modellanlage wird neuerdings eine Präzisionswaage mit digitaler Datenübertragung<br />
eingesetzt, in den Simulatoren bleiben die analogen Geber. Das entsprechende<br />
Betriebssystem konvertiert die Messwerte aber immer in die gleiche Variable.<br />
2.6.7. Abluft<br />
Ab ca. 40°C entsteht D<strong>am</strong>pf in der Maische- und Würzepfanne. D<strong>am</strong>it der nicht an<br />
den darüberliegenden Metallteilen von Waage, Mühle, Rührmotor und Hopfenspender<br />
kondensiert muss der Abluftventilator (->Tab 4.1) aktiviert werden solange sich warme<br />
Flüssigkeit im Gefäß befindet.<br />
3. Die Siemens S7 – 200 <strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong><br />
3.1. Elemente <strong>des</strong> Kontaktplans<br />
Das Kontaktplanfenster der „STEP 7-Micro/WIN“ Progr<strong>am</strong>mierumgebung stellt eine<br />
Bibliothek von Symbolen zur Verfügung, die dem S7-Standard entspricht [Sie98].<br />
Nachfolgend werden die notwendigen Symbole dargestellt und erklärt.<br />
Je<strong>des</strong> Netzwerk beginnt auf der linken Seite mit min<strong>des</strong>tens einer Eingangsbedingung<br />
(Kontakt oder Vergleichoperation) und endet rechts mit min<strong>des</strong>tens einem<br />
Ausgangsbefehl (Spule, Zeitgeber, Zähler, Übertragungsfunktion, Rechen- oder Progr<strong>am</strong>msteueroperation).
Produktionstechnik IV: <strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> <strong>am</strong> <strong>Beispiel</strong> <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> 15<br />
Linien<br />
waagrechte Linie zur Verbindung von Funktionsblöcken (auch F8)<br />
senkrechte Linie, um Verzweigungen aufzubauen (auch F7)<br />
Kontakte<br />
n<br />
Schließerkontakt: Signal wird von links nach rechts durchgeschaltet, falls n<br />
aktiv ist<br />
n<br />
Öffnerkontakt: Signal wird von links nach rechts durchgeschaltet, falls n<br />
nicht aktiv ist<br />
NOT<br />
Negation: Signal wird von links nach rechts durchgeschaltet, falls n nicht<br />
aktiv ist<br />
n<br />
P<br />
n<br />
N<br />
Kontakt Steigende Flanke: Wird eine steigende Flanke <strong>am</strong> Eingang erkannt<br />
(z.B. Schließen eines Schalters) wird ein Impuls ausgegeben.<br />
Kontakt Fallende Flanke: Wird eine fallende Flanke <strong>am</strong> Eingang erkannt<br />
(z.B. Öffnen eines Schalters) wird ein Impuls ausgegeben.<br />
=<br />
Vergleichsoperationen<br />
VBn<br />
==B<br />
m<br />
VBn<br />
>=B<br />
Schaltet, wenn die Variable VBn gleich dem Byte m ist<br />
Schaltet, wenn die Variable VBn größer oder gleich dem Byte m ist<br />
m<br />
VBn<br />
Produktionstechnik IV: <strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> <strong>am</strong> <strong>Beispiel</strong> <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> 16<br />
VWn<br />
==I<br />
m<br />
VWn<br />
>=I<br />
m<br />
VWn<br />
Produktionstechnik IV: <strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> <strong>am</strong> <strong>Beispiel</strong> <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> 17<br />
0I<br />
Übertragungsfunktion<br />
EN MOV-B<br />
IN OUT<br />
MOV_B<br />
MOV_W<br />
Weist den Wert oder die Variable <strong>am</strong> Eingang „IN“ dem Ausgang „OUT“ zu,<br />
wenn an „EN“ ein Signal anliegt. „IN“ und „OUT“ sind Bytes.<br />
Funktion entspricht MOV_B, das durchgeschaltete Signal ist ein Wort.<br />
Progr<strong>am</strong>msteuerungsoperationen<br />
END<br />
Progr<strong>am</strong>mende, muss <strong>am</strong> Ende <strong>des</strong> Hauptprogr<strong>am</strong>ms stehen.<br />
n<br />
CALL<br />
Ruft das Unterprogr<strong>am</strong>m mit der Nummer n auf. Die Unterprogr<strong>am</strong>me folgen<br />
nach dem Hauptprogr<strong>am</strong>m.<br />
n<br />
SBR<br />
Start <strong>des</strong> Unterprogr<strong>am</strong>ms mit der Nummer n.<br />
RET<br />
Beendet ein Unterprogr<strong>am</strong>m und springt an die Stelle <strong>des</strong> Unterprogr<strong>am</strong>maufrufs<br />
zurück.<br />
Tab. 3.1: Wichtige Elemente <strong>des</strong> Kontaktplans<br />
3.2. Speicherarten<br />
Alle Signale, die im Kontaktplan der <strong>SPS</strong> verwendet werden, haben eine ihrer Funktion<br />
entsprechende Syntax. Konstanten können direkt als Zahl verwendet werden,<br />
alle anderen Signalbezeichnung beginnen mit einem Buchstabenkürzel gefolgt von<br />
einer Nummer, die innerhalb <strong>des</strong> vorgesehenen Wertebereichs liegen muss. Nachfolgende<br />
Tabelle gibt einen Überblick.<br />
Kürzel Funktion Wertebereich Typ<br />
E Binärer Eingang E0.0 – E7.7 Binär (1bit)<br />
A Binärer Ausgang A0.0 – A7.7 Binär (1bit)<br />
AEW Analoger Eingang AEW0 – AEW30 Wort (16bit)<br />
AAW Analoger Ausgang AAW0 – AAW30 Wort (16bit)<br />
M Binärer Merker M0.0 – M31.7 Binär (1bit)<br />
VB Variable VB0 – VB4095 Byte (8bit)
Produktionstechnik IV: <strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> <strong>am</strong> <strong>Beispiel</strong> <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> 18<br />
Kürzel Funktion Wertebereich Typ<br />
VW Variable VW0 – VW4094 Wort (16bit)<br />
T<br />
Timer<br />
mit Zeittakt 1ms<br />
mit Zeittakt 10ms<br />
mit Zeittakt 100ms<br />
T32<br />
T33 – T36<br />
T37 – T63<br />
Wort (16bit, max.<br />
Wert 32 767)<br />
Z Zähler Z0 – Z127 Binär (1bit)<br />
SM<br />
Sondermerker für spezielle Signale (nur<br />
zum Auslesen)<br />
Aktiv nur im 1. Takt nach Systemstart<br />
Takt von 1s (0.5s ein, 0.5s aus)<br />
Konstanter Wert, z.B. „32“, „1000“<br />
Tab 3.2: Übersicht Signaltypen<br />
SM0.1<br />
SM0.5<br />
Binär (1bit)<br />
Byte oder Wort<br />
4. Steuerungselemente der Brauerei-Anlage<br />
4.1. Binäre Ein- und Ausgänge<br />
Bezeichnung Funktion 0 1<br />
A0.0 Heizung der MWP (Nicht verwenden! Wird<br />
über Regler gesteuert, siehe Bytevariable<br />
VB300/“Step)<br />
Aus<br />
Ein<br />
A0.1 Regelventil Abläutern V1 (Nicht verwenden!<br />
Wird über Regler gesteuert, sieheBytevariable<br />
VB300/“Step)<br />
Geschlossen Offen<br />
A0.2/“FÜmwp“ Ventil V2 (Zulauf MWP) Geschlossen Offen<br />
A0.3/“Ablauf“ Ventil V3 (Ablauf) Geschlossen Offen<br />
A0.4/“Lewp“ Ventil V4 (Auslauf Whirlpool) Geschlossen Offen<br />
A0.5“Lemwp“ Ventil V5 (Auslauf MWP) Geschlossen Offen<br />
A0.6/“Levg“ Ventil V6 (Auslauf Vorlaufgefäß) Geschlossen Offen<br />
A0.7/“Lelb“ Ventil V7 (Auslauf Läuterbottich) Geschlossen Offen<br />
A1.0/“Fülb“ Ventil V8 (Zulauf Läuterbottich) Geschlossen Offen<br />
A1.1/“schnellR“ Schnell Rühren Langs<strong>am</strong> Schnell<br />
A2.0/“Bylb“ Ventil V9 (Bypass Auslauf Läuterbottich) Geschlossen Offen<br />
A2.1/“SPkü“ Ventil V10 (Verbindung Kühler – Pumpe) Geschlossen Offen<br />
A2.2/“Füwp“ Ventil V11 (Zulauf Whirlpool) Geschlossen Offen
Produktionstechnik IV: <strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> <strong>am</strong> <strong>Beispiel</strong> <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> 19<br />
Bezeichnung Funktion 0 1<br />
A2.3/“Wasser“ Ventil V12 (Brauwasserzulauf) Geschlossen Offen<br />
A2.4/“Kühlen“ Ventil V13 (Kühlwasserzulauf) Geschlossen Offen<br />
A2.5/“Mühle“ Mühle für Malz/“Mühle“ aus Ein<br />
A2.6/“Rühren“ Rührmotor der MWP Aus Ein<br />
A2.7/“Hopfen“<br />
Hopfenspender (pro Portion muss ein Impuls<br />
mit Länge 0.5s und mit nachfolgender<br />
Pause von 1.0s gegeben werden)<br />
Warten<br />
Start<br />
A3.0/“Lewaage“ Waage kippen Waagrecht Gekippt<br />
A3.1/“Pumpe“ Maischepumpe Aus Ein<br />
A3.2/“rückwR“ Rückwärts Rühren Aus Ein<br />
A3.3/“obenHeizen“ Oberes Heizband einschalten Aus Ein<br />
A3.4/“BedRuf“ Bediener-Ruf, Dauersignal Aus Ein<br />
A3.5/“Alarm“ Alarmsignal, blinkend Aus Ein<br />
A3.6/“Abluft“ Abluftventilator Aus Ein<br />
A3.7/“sauerSP“ Merker und Anzeiger für sauren Spülgang Aus Ein<br />
M0.0/“Regein“<br />
M0.1/“Ablein“<br />
Tab 4.1: Binäre Ausgänge<br />
4.2. Analoge Eingänge<br />
Merker zum Aktivieren der Temperaturregelung<br />
(Sollwert in VW124)<br />
Merker zum Aktivieren der Druchflussregelung<br />
Abläutern (Sollwert fest 0,3l/min)<br />
Regelung<br />
aus<br />
Regelung<br />
aus<br />
Regelung<br />
ein<br />
Regelung<br />
ein<br />
Die Umsetzung von analogen Sensorsignalen (Ströme, Spannungen, Widerstände,<br />
etc.) in brauchbare Messwerte (Temperaturen, Füllstände, etc.) setzt eine Menge<br />
Hardware-, Messtechnik- und Signalverarbeitungskenntisse, die den Rahmen <strong>des</strong><br />
Steuerungstechniklabores sprengen würden. Daher wird ein Rahmenprogr<strong>am</strong>m (Betriebssystem)<br />
vorgegeben, das die benötigten Messwerte in geeignetem Format als<br />
Variablen zur Verfügung stellt:<br />
Bezeichnung Funktion Normierung an. Eingang<br />
VW112/“Fmwp“ Füllstand MWP In ml (AE0)<br />
VW114/“Flb“ Füllstand Läuterbottich In ml (AE2)<br />
VW116/“Fvg“ Füllstand Vorlaufgefäß In ml (AE4)<br />
VW172/“dFmwp“ Füllstandsänderung MWP In ml (AE0)<br />
VW174/“dFlb“ Füllstandsänderung Läuterbottich In ml (AE2)<br />
VW166/“dFvg“ Füllstandsänderung Vorlaufgefäß In ml (AE4)
Produktionstechnik IV: <strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> <strong>am</strong> <strong>Beispiel</strong> <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> 20<br />
VW118/“Tmwp“ Temperatur MWP In 1/10°C (AE8)<br />
VW120/“Tkue“ Temperatur Kühler In 1/10°C (AE10)<br />
VW122/“Waage“ Waageninhalt In g (AE12)<br />
Tab 4.2: Variablen zur Abfrage analoger Eingangswerte<br />
4.3. Regler<br />
Die Temperturregelung der Maische- und Würzepfanne und die Durchflussregelung<br />
beim Abläutern greifen tief in das Betriebssystem ein und sind daher vorgegeben.<br />
Bei zu niedrigem Füllstandswert der Maische- und Würzepfanne wird die Heizung<br />
sicherheitshalber blockiert.<br />
Bezeichnung Funktion Normierung<br />
VW124/“STmwp“ Solltemperaturvorgabe für MWP in 1/10°C<br />
M0.0/“Regein“ Start der Temperaturregelung 0=aus/1=ein<br />
M0.1/“Ablein“ Start der Durchflussregelung (Sollwert fest) In 1/10s<br />
Tab 4.3: Schnittstellen der Regler<br />
4.4. Unterprogr<strong>am</strong>me<br />
Folgende Unterprogr<strong>am</strong>me für mehrfach benutzte Funktionen können benutzt werden.<br />
Alle Unterprogr<strong>am</strong>me enden mit dem Inkrement der Bytevariablen<br />
VB300/“Step“ (s.u. 4.5):<br />
Bezeichnung Funktion Normierung<br />
VW304/“Ende“<br />
SBR 3<br />
Einstellung der Zieltemperatur für die<br />
Lineare Temperaturerhöhung um 1°C pro Minute<br />
VW302/“Time“ Einstellung der Zeit für<br />
SBR 4<br />
Warteprogr<strong>am</strong>m<br />
SBR 5<br />
Abläutern bis Min<strong>des</strong>tfüllstand Flb=1000ml<br />
Tab 4.3: Schnittstellen der Unterprogr<strong>am</strong>me<br />
In 1/10°C<br />
In 1/10s<br />
4.5. Progr<strong>am</strong>mablaufsteuerung<br />
Der Einbau <strong>des</strong> Sudprogr<strong>am</strong>mes beginnt bei Netzwerk 10.<br />
Zur übersichtlichen Gestaltung, Steuerung und Kontrolle <strong>des</strong> sequentiellen Ablaufes<br />
dient die Bytevariable VB300/“Step“, die den aktuellen Progr<strong>am</strong>mschritt speichert.<br />
Jeder logische Teilschritt beginnt daher mit dem Vergleich auf die jeweilige Progr<strong>am</strong>mschrittnummer<br />
und endet mit einem Inkrement von VB300/“Step“<br />
Bei Benutzung der obigen Unterprogr<strong>am</strong>me (Tab 4.3) erfolgt die Weiterschaltung<br />
durch das Unterprogr<strong>am</strong>m.
Produktionstechnik IV: <strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> <strong>am</strong> <strong>Beispiel</strong> <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> 21<br />
5. Durchführung <strong>des</strong> Laborversuches<br />
5.1. Versuchsaufbau<br />
Jeder Arbeitsgruppe steht einen PC mit der Entwicklungsumgebung und ein interaktives<br />
Prozessschaubild mit einer kompletten S7-200-<strong>SPS</strong> zur Verfügung. Die Aktoren<br />
der Brauerei werden durch Leuchtdioden an entsprechender Stelle im Schaubild<br />
dargestellt, die von der <strong>SPS</strong> direkt geschaltet werden. Die analogen Sensoren werden<br />
durch Potentiometer dargestellt, die das elektrische Verhalten der Sensoren genau<br />
simulieren, d.h. die für die <strong>SPS</strong> besteht kein Unterschied zwischen dem Prozessschaubild<br />
und der realen Anlage.<br />
Zum Test eines Progr<strong>am</strong>m(teil)es muss dieses zuerst über die serielle Schnittstelle<br />
in die <strong>SPS</strong> heruntergeladen und diese dann gestartet werden. Während <strong>des</strong> Progr<strong>am</strong>mlaufes<br />
können Variablenwerte, Ein- und Ausgangszustände, etc. in Tabellen<br />
oder dem animierten Kontaktplan zeitnah mitverfolgt und Eingriffe vorgenommen<br />
werden.<br />
5.2. Vorbereitung <strong>des</strong> Labors<br />
Machen Sie sich vor dem Labortermin mit den zu automatisierenden Prozess und<br />
mit den Elementen der <strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> anhand dieses Umdrucks vertraut!<br />
Der ges<strong>am</strong>te Brauprozess wird in 4 Teilabschnitte gegliedert. Jede Gruppe progr<strong>am</strong>miert<br />
einen solchen Teilabschnitt und nimmt diesen <strong>am</strong> Prozessschaubild in<br />
Betrieb. Danach können die 4 Progr<strong>am</strong>mteile zus<strong>am</strong>mengefügt werden, um den ges<strong>am</strong>ten<br />
Brauprozess an der realen Anlage zu automatisieren. Die Aufteilung ist<br />
nachfolgender Tabelle zu entnehmen:<br />
Gruppe<br />
zu implementierende Schritte nach<br />
Gruppe 1<br />
von 0.1.1 bis 1.3.1 einschließlich<br />
Gruppe 2<br />
von 1.4.1 bis 2.1.2 einschließlich<br />
Gruppe 3<br />
von 2.2.1 bis 2.4.1 einschließlich<br />
Gruppe 4<br />
von 3.1.1 bis 5.1.2 einschließlich<br />
Tab 5.1: Gruppeneinteilung<br />
Gliedern Sie ihren Abschnitt <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> in einzelne Teilschritte mit Eingangsbedingung,<br />
Einzelaktionen und Weiterschaltbedingungen auf und stellen Sie<br />
diese in geeigneter Form dar. Klären Sie die Schnittstellen mit den benachbarten<br />
Gruppen ab. Beginnen Sie Ihr Teilprogr<strong>am</strong>m mit der Aktivierung aller für den Prozesszustand<br />
nötigen Ausgänge und Merker, danach genügt das Hinzuschalten zusätlich<br />
bzw. Abschalten nicht mehr benötigter Signale.
Produktionstechnik IV: <strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> <strong>am</strong> <strong>Beispiel</strong> <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> 22<br />
5.3. Einführende Aufgaben zur <strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong><br />
Durch einführende Aufgaben werden Sie mit der <strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> der S7-200 und<br />
die Entwicklungsumgebung vertraut gemacht. Öffnen Sie ein neues Projekt, realisieren<br />
und testen Sie folgende Teilaufgaben:<br />
1. Bytevariable VB300 bei Progr<strong>am</strong>mstart auf 1 setzen (siehe Tab 3.2)<br />
2. Hochzählen der Variablen VB300 mit der Taste „1“ (Schließer E0.0)<br />
3. Rücksetzen der Variablen VB300 mit der Taste „0“ (Öffner E0.1)<br />
4. Aktivierung der Ausgänge A0.0 bis A0.7 nacheinander mit dem Hochzählen der<br />
Variablen VB300 von 1 bis 8<br />
5. Handbetrieb der Malzzugabe:<br />
5.1 Bei VB300=10 Mühle einschalten<br />
5.2 Bei VB300=11 Mühle aus und Waage 5s lang kippen<br />
5.3 danach Waage zurückkippen und nach weiteren 5s zurück zu 5.1/VB300=10)<br />
5.4. Implementierung eines Teils <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong><br />
Laden Sie das Projekt „spslabor“ und speichern Sie es unter neuem N<strong>am</strong>en (entsprechend<br />
der Gruppennumer).<br />
Implementieren Sie einen Abschnitt <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> (entsprechend Tab. 5.1) im<br />
Kontaktplan ab Netzwerk 10 und verifizieren Sie das Progr<strong>am</strong>m <strong>am</strong> Prozessschaubild.<br />
Stellen Sie dabei zuerst den Prozesszustand her, der sich normalerweise im<br />
vorhergehenden Prozessschritt ergibt.
Produktionstechnik IV: <strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> <strong>am</strong> <strong>Beispiel</strong> <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong> 23<br />
6. Literatur<br />
[Kas97] St. Kast: Die Bierbrauerei - Eine Anleitung zu Technologie, Anlage und<br />
Software Stephan Kast, Studienarbeit an der Universität Ulm, 1997.<br />
[Hor99] F. Horn: Entwicklung eines Steuerungskonzeptes zur Prozessführung in<br />
einer Modell-Brauerei-Anlage, Studienarbeit im FG Mess-, Steuerungs- und<br />
Regelungstechnik an der Universität Bremen, 1999.<br />
[Nar92] L. Narziss: Die Bierbrauerei, Band 2: Die Technologie der Würzebereitung.<br />
F. Henke Verlag, Stuttgart, 7. Auflage, 1992.<br />
[Saw95] O. Sawodny: Automatisierung <strong>des</strong> Bierbrauprozesses mit einem Prozessleitsystem.<br />
Universität Ulm, 1995<br />
[Sie98] Siemens AG: Automatisierungssystem S7-200 Systemhandbuch, 1998.
Fachbereich 4<br />
Produktionstechnik<br />
Fachgebiet 08:<br />
Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik<br />
Protokoll <strong>des</strong> Laborversuchs<br />
<strong>SPS</strong>-<strong>Progr<strong>am</strong>mierung</strong> <strong>am</strong> <strong>Beispiel</strong> <strong>des</strong> <strong>Brauprozesses</strong><br />
Produktionstechnik IV – Steuerungstechnik<br />
SS 2004<br />
N<strong>am</strong>e, Vorn<strong>am</strong>e<br />
Matrikelnummer<br />
Gruppe<br />
Bewertung<br />
Bemerkung