PLC‑Steuerungsschema für den Parallelbetrieb von zwei frequenzgeregelter Gasdruckförderpumpen zur Einspeisung in die Hauptleitung

Systemübersicht

In industriellen Gasförderungssystemen wird die gleichzeitige Parallelbetreibung von zwei frequenzgeregelten Gasdruckverstärkern zur Einspeisung in die Hauptleitung eingesetzt, wodurch die Versorgungsstabilität und die Redundanz des Systems wirksam erhöht werden. Durch eine zentrale Steuerung mittels einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) lassen sich nicht nur präzise Druckregelungen realisieren, sondern auch der Betriebswirkungsgrad der Anlagen optimiert sowie der Energieverbrauch gesenkt werden.

Hardwarekonfiguration und Systemarchitektur

Der Aufbau einer stabilen und zuverlässigen Regelarchitektur bildet die Grundlage für den Parallelbetrieb. Das System umfasst im Wesentlichen die folgenden Kernkomponenten:

• SPS-Steuerung:Als zentrale Steuerungseinheit des gesamten Systems ist sie für die Datenerfassung, logische Berechnungen und die Ausgabe von Steuerbefehlen verantwortlich.
• Frequenzumrichter:Die Motoren der beiden Gasdruckmaschinen werden jeweils separat angesteuert und empfangen das Frequenz‑Sollsignal von der SPS, wodurch eine stufenlose Regelung der Motordrehzahl ermöglicht wird.
• Sensornetzwerk:Dazu gehören der Hauptleitung‑Drucktransmitter, die Druck‑ und Temperatursensoren an Ein- und Auslässen der einzelnen Druckerhöhungspumpen, Durchflussmesser sowie eine Rückmeldeschnittstelle zum Betriebszustand der Motoren.
• Durchführungsstelle:Beispielsweise elektrische Ein- und Auslassventile sowie Entlüftungsventile, die in Verbindung mit Kompressoren zum Schalten von Start/Stopp sowie zum Wechsel der Betriebsbedingungen eingesetzt werden.

Steuerungsstrategie für den Parallelbetrieb

Bei dem parallelen Betrieb von zwei Druckluftkompressoren besteht die zentrale Herausforderung darin, die Leistungsabgabe beider Geräte abzustimmen und eine ungleichmäßige Lastverteilung zu vermeiden. Üblicherweise wird dazu…Master-Slave-SteuerungoderLastverteilungssteuerungStrategie.

• Master-Slave-Steuerungsmodus:Eine der beiden Einheiten wird als Master, die andere als Slave festgelegt. Der Master führt auf der Grundlage des Sollwerts des Gesamtleitungsdrucks eine PID‑Regelung durch und gibt ein Frequenzsignal aus; der Slave folgt hingegen synchron der Betriebsfrequenz oder dem Strom des Masters, um eine gleichmäßige Leistungsabgabe beider Einheiten sicherzustellen.
• Lastverteilungsmodus:Die SPS erfasst in Echtzeit die Betriebsströme bzw. -leistungen der beiden Druckluftkompressoren und passt über interne Algorithmen die Sollfrequenzen der beiden Frequenzumrichter dynamisch an, um sicherzustellen, dass die Auslastung beider Geräte nahezu gleich ist und so die Lebensdauer der Anlagen verlängert wird.

Frequenzumrichtersteuerung und Druckregelung in der Regelkreisschleife

Das zentrale Ziel der Gaszufuhr in die Hauptleitung besteht darin, den Druck im Leitungsnetz stabil zu halten. Dies wird durch eine Druckregelung im geschlossenen Regelkreis mittels einer SPS erreicht:

• Signalerfassung und -verarbeitung:Der Hauptleitungsschaltungsdrucktransmitter wandelt das Echtzeit‑Drucksignal in ein standardisiertes Analog‑ oder Digitalsignal um und überträgt es an die SPS.
• PID-Berechnung:Der PID‑Funktionsblock im SPS‑Steuerungssystem vergleicht den Ist‑Druckwert mit dem vom Prozess vorgegebenen Soll‑Druckwert, ermittelt die Abweichung und führt Proportional-, Integral- sowie Differentialberechnungen durch, um den Frequenzregelungsanteil zu bestimmen.
• Frequenzvergabe und -umsetzung:Die SPS übermittelt die berechnete Frequenz‑Sollwert an den Umrichter. Bei zu niedrigem Netzdruck wird die Ausgangsfrequenz des Umrichters erhöht, wodurch sich die Drehzahl der Druckerhöhungspumpe und der Durchfluss steigern; bei zu hohem Druck dagegen wird die Frequenz gesenkt, um die Luftfördermenge zu reduzieren.

Sicherheits- und Verriegelungsmechanismen

Erdgas gehört zu den leicht entzündlichen und explosionsgefährlichen Stoffen; die Sicherheitsverriegelung beim Parallelbetrieb von Verdichtern ist von entscheidender Bedeutung. Die SPS muss über eine umfassende Schutzlogik verfügen:

• Stallregelung:Wenn die Betriebsbedingungen der Druckluftmaschine nahe dem Staudruckbereich liegen, öffnet die SPS rasch das Anti‑Stau‑Entlüftungsventil oder das Rückführungsventil, um den Einlassvolumenstrom zu erhöhen und einen sicheren Anlagenbetrieb zu gewährleisten.
• Überdruck- und Unterdruckschutz:Überschreitet der Gesamtleitungsdruck die Sicherheitsgrenze, senkt die SPS automatisch die Frequenz des Frequenzumrichters oder schaltet das System sogar ab; fällt der Druck unter den unteren Grenzwert, wird ein Alarm ausgelöst und das Ersatzgerät gestartet.
• Automatische Fehlerschaltung:Bei einem schweren Ausfall der laufenden Hauptdruckpumpe schaltet die SPS die defekte Pumpe umgehend ab und startet die Ersatzdruckpumpe automatisch und sanft, um eine Unterbrechung der Gasversorgung im Gesamtleitungsnetz zu vermeiden.
• Anlauf‑ und Stillstandssequenzverriegelung:Die Steuerung erfolgt strikt gemäß der prozesssicheren Reihenfolge, um die logische Korrektheit der Ventil‑ und Motorsteuerung sicherzustellen.

Empfehlungen zur Fehlersuche und Optimierung

In der praktischen Anwendung ist vor der Inbetriebnahme des Systems eine strenge Abstimmung erforderlich. Zunächst sind Einzelgeräte auf Leerlauf‑ und Lastbedingungen zu prüfen, um die Richtigkeit der Frequenzumrichterparameter sowie die Drehrichtung des Motors zu bestätigen. Im nächsten Schritt sind bei Parallelbetrieb die PID‑Reglerparameter sorgfältig abzustimmen, um Druckschwingungen im System zu vermeiden. Abschließend werden anhand simulierter Störfälle die Korrektheit und die Reaktionsgeschwindigkeit der SPS‑Verriegelungslogik überprüft, um einen sicheren, effizienten und stabilen Betrieb des gesamten Gasförderungssystems zu gewährleisten.