Fleisch-Tiefkühlung: Komplexe Steuerung einfach umsetzbar
Steuerung einer CO2-Verbundkälteanlage ohne Zwischenabtauung
Die Tekloth GmbH, Bocholt, hat eine CO2-Verbundkälteanlage für eine Fleisch-Tiefkühlung konzipiert, die auf eine aufwändige Zwischenabtauung verzichten kann. Das hierzu erforderliche Know-how für den besonderen Systemaufbau und die entsprechenden Steuerungsfunktionen konnte mit dem verwendeten System optimal und trotz der hohen Anlagenkomplexität auch einfach und komfortabel umgesetzt werden.
Mit „PC-based Control“ von Beckhoff (www.beckhoff.de) hat Tekloth, Spezialist für technische Gebäudeausrüstung (www.tekloth.de), die komplette Steuerungstechnik für eine von Fischer Kälte-Klima, Essen, gelieferte CO2-Verbundkälteanlage entwickelt. Die Anlage dient als Kühlaggregat für einen Tiefkühlfroster für geräuchertes und gepökeltes Schweinefleisch. Dabei wird nach dem Räuchern das noch 30 bis 40 °C warme Fleisch im Froster bei mindestens -18 °C schockgefrostet. Allerdings bringt das Fleisch aufgrund seiner Wärme eine große Menge Feuchtigkeit in den Tiefkühlprozess ein, die sich am Verdampfer sammelt und diesen einfriert. Bei konventionellen Anlagen muss daher der Verdampfer in regelmäßigen Abständen abgetaut werden.
Da das Abtauen Energie kostet, hat Tekloth die Verbundkälteanlage auf eine völlig neue Weise konzipiert. Dazu erläutert Marco Möllenbeck, Planung, Entwicklung und Vertrieb Kältetechnik bei Tekloth: „Durch einen besonderen Anlagenaufbau und entsprechende Steuerungs-funktionen kann bei unserem System auf die übliche Zwischenabtauung verzichtet werden. Die Besonderheit liegt in einem Umschaltventil, mit dem sich vom Normalkühl- (NK) in den Tiefkühlbetrieb (TK) umschalten lässt. Normalerweise werden hierfür zwei getrennte Anlagen benötigt, sodass sich ein klarer Vorteil, sowohl durch geringere Anschaffungskosten als auch aufgrund des reduzierten Energieverbrauchs, ergibt.“
Zwei Betriebsarten in einer Anlage vereint
Die Anlage kann über ein Umschaltventil entweder als reine NK-Anlage im sogenannten transkritischen Bereich oder als Booster mit TK- und NK-Verdichtern im transkritischen Bereich betrieben werden. Für diese Umschaltung sind zahlreiche steuerungstechnische Abläufe erforderlich, die von Standardsystemen nicht umgesetzt werden können. Christoph Holtschlag, Planung und Softwareentwicklung bei Tekloth: „Durch die Umschaltung der Betriebsarten wird zunächst bei ca. -6 °C Verdampfungstemperatur im Normalkühlbetrieb gekühlt und entfeuchtet. Durch die höhere NK-Verdampfungstemperatur wird das Gefrieren des Verdampfers so gering wie möglich gehalten. Bei Erreichen einer Raumtemperatur von 4 °C wird auf den Betrieb mit einem TK-NK-Booster umgeschaltet.“
Bei diesem Umschaltprozess stoppt zunächst der NK-Betrieb und eine reine Umluftabtauung beginnt. Durch den NK-Betrieb hat zum einen eine energieoptimierte Kühlung im NK-Temperaturbereich stattgefunden und zum anderen wurde die Raumluft bzw. die Oberfläche der Ware weitestgehend entfeuchtet – bei minimalem Einfrierungsgrad des Wärmetauschers im Verdampfer. Nach der Umluftabtauung und der Umschaltung auf den TK-NK-Booster wird der Raum bzw. die Ware auf -18 °C gekühlt. Je nach Menge der Ware sowie der Verweildauer nach dem Erreichen der Zieltemperatur kann, laut Christoph Holtschlag, vollständig auf eine Zwischenabtauung verzichtet werden.
„PC-based Control“ als offene und flexible Steuerungstechnik
Für die Umsetzung der komplexen Ablaufsteuerung mit „PC-based Control“ sieht Stefan Bollmann, Planung und Vertrieb bei Tekloth, zahlreiche gute Gründe: „Bei all unseren Projekten profitieren wir von der hohen Industriequalität der Beckhoff-Steuerungstechnik. Hinzu kommen der sehr hohe Innovationsgrad sowie die große Flexibilität u. a. durch den modularen Systemaufbau und die freie Programmierbarkeit. So konnten wir auch bei der Kälteverbundanlage das komplette Steuerungsprojekt selbst programmieren und damit die volle Kontrolle über die Maschinensoftware behalten. Zudem sind dadurch Systemänderungen und Anpassungen an Kundenwünsche schnell und einfach möglich.“
Vorteile ergibt auch der durchgängige Einsatz von „PC-based Control“, wie Christoph Holtschlag erläutert: „Ob für Lüftungs-, Kälte- oder Heizungsanlagen bzw. Gebäudeautomation oder übergreifend als Zentralsteuerung, wir lösen alle steuerungs- und reglungstechnischen Anforderungen mit Beckhoff-Komponenten und -Software. Durch deren universelle Einsetzbarkeit lassen sich von uns entwickelte Software-module effizient in allen Bereichen nutzen. Die Systemoffenheit durch die Unterstützung vielfältigster Bussysteme trägt ebenfalls dazu bei.“ Und auch aus marktwirtschaftlicher Sicht seien klare Vorteile gegeben: „Steuerungen für den Bereich der Kältetechnik sind verhältnismäßig aufwändig und anspruchsvoll. Die Beckhoff-Plattform bietet hier alle Komponenten, um den Prozess in eigener Hand zu behalten, diesen effizient umzusetzen und zudem gegenüber marktüblichen Standardprodukten einen deutlichen Kundenmehrwert zu generieren. Dies gilt auch für die aktuelle Kälteverbundanlage, denn eine Umschaltung vom NK- in den TK-Betrieb wird in dieser Form von keinem Standard-Kälteregler unterstützt.“
Regelungstechnischer Prozess optimal unter Kontrolle
Als Hardwarebasis für alle Automatisierungsaufgaben, eine umfassende Datenaufzeichnung und die leistungsfähige Visualisierung dient der „Multitouch-Panel-PC CP2716“ mit 15,6-Zoll-Display. Die I/O-Ebene ist modular und bedarfsgerecht aus digitalen und analogen Busklemmen aufgebaut, über die u. a. die Daten sämtlicher Sensoren und Aktoren sowie relevante regelungstechnische Größen erfasst werden. Eingebunden in das Steuerungssystem sind beispielsweise PT1000-Sensoren sowie Sensoren für Hoch-, Mittel- und Niederdruck bzw. für Temperaturen und den CO2-Gehalt in der Luft. Hinzu kommen die Betriebsrückmeldungen der Aggregate sowie verschiedene Soll-/Ist-Werte und regelungstechnische Kenngrößen.
Das System zeichnet über 150 Datenpunkte – bei Werteänderungen im Minutentakt – auf, was ein komplettes Abbild des Prozesszustands ermöglicht. Tritt in der Anlage eine Störung auf, werden sich ändernde Daten sogar im Sekundentakt registriert und auch bis zu einer Stunde zurückliegend mit dieser hohen Auflösung zwischengespeichert. Auf diese Weise ist laut Christoph Holtschlag eine vollständige Kontrolle des regelungstechnischen Prozesses realisierbar: „Die flexible und komfortable Umsetzung mit PC-based Control und TwinCAT war mitentscheidend, um das entsprechende Know-how im eigenem Hause aufbauen bzw. die Kältetechnik weiterentwickeln zu können. Dazu wurde der Kälteprozess durch umfangreiche elektro- und programmiertechnische Entwicklungsarbeit in die Steuerungstechnik übertragen und gegenüber Standard-Kälteanlagen mit zahlreichen neuen Features abgebildet. Möglich ist dies durch die zusätzlichen Funktionen der PC-basierten Steuerungstechnik, wie z. B. grafische Bedienoberflächen, Trenddatenaufzeichungen, Störmeldelisten und E-Mail-Benachrichtigungen. Zudem lassen sich hiermit individuelle Kundenanforderungen optimal umsetzen.“
