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Mittwoch, 15. Januar 2014

Mit Sandsäcken Leben und Eigentum retten

Quantum Automation entwickelt Sandsackanlagen mit InduSoft Web Studio

 


  • Im Auftrag der Firma Sandbags™ hat Quantum Automation eine Komplettlösung für deren Sandsackabfüllanlagen entwickelt.

  • Für dieses Projekt war InduSoft Web Studio die beste Wahl, da es die erforderlichen Treiber bietet, leicht zu bedienen ist und flexible Kommunikationslösungen zwischen den Sandsackmaschinen und der Betriebszentrale ermöglicht.

  • Sandbags plant derzeit den Bau von fünf weiteren Anlagen des Modells Super 50 und fünf neueren Super 44. Jede Anlage wird eine InduSoft Web Studio-Laufzeitumgebung enthalten.



Abb. 1: Der Super 50 von Sandbags™ hat eine Spitzenleistung von 2000 Sandsäcken pro Stunde.  Die FEMA und lokale Katastrophenschutzagenturen können dank der Leistung der Super 50 von Sandbags mehr Leben retten und mehr Häuser schützen.



 

Hintergrund

Bei Naturkatastrophen schützen Sandsäcke Menschen und deren Eigentum. Sie dienen jedoch nicht nur als lebenswichtige Hilfsmittel bei Überflutungen und Stürmen, sondern werden auch als stabiles Fundament für Öl-, Gas- und Wasserleitungen verwendet. Sandsäcke empfehlen sich für zahlreiche Einsatzbereiche, weil sie dank ihrer einheitlichen, jedoch flexiblen Masse, wirksam zum Bau von Barrieren und Bettungen eingesetzt werden können. Der Sandsack-Hersteller Sandbags ließ sich von Quantum Automation ein System entwickeln, das die Überwachung und Steuerung ihrer bestehenden Sandsackanlagen optimiert.

Für die Verarbeitung wird der Sand in einen Fülltrichter auf dem Anhänger des Super 50 geladen. Die Förderschnecke schiebt den Sand in gleichmäßigen Mengen in die Messzylinder.  Mit der nächsten Drehung der Schnecke fällt der Sand in die Sandsäcke. Die Sandsäcke werden automatisch zugenäht und auf ein Förderband gesetzt. Dann werden sie von Hand in große Tragtaschen auf Paletten geladen und mit Tiefladern an den gewünschten Einsatzort transportiert.


Abb. 2: Die Anlage Super 50 von Sandbags ist eine mobile Anlage, die von der Sandgrube aus mit der Betriebszentrale vernetzt sein muss.



Die Herausforderung

Die Firma Sandbag hatte Quantum Automation mit der Entwicklung einer Komplettlösung für ihre Sandsackabfüllanlage beauftragt. Ursprünglich sollte die Maschinenautomation mit Hilfe einer Anwendung, die unter Linux laufen und in C programmiert werden sollte. Zum Glück erkannten die Entwickler bereits frühzeitig während der Entwicklung der Alpha-Version, dass außergewöhnlich viele Kommunikationstreiber zum SCADA-System der Anlage und dem MES in der Netzbetriebszentrale der Firma in Las Vegas benötigt werden. Dies hätte eine aufwendige Anwendung mit hohen Kosten bei der Entwicklung der Benutzerschnittstellen und macht Sicherheitsupdates, Aktualisierungen und laufende Wartung der Anlage in unverhältnismäßigem Ausmaß erfordert. Eine völlig neue Lösung war gefragt.

Quantum Automation wechselte zu einem schnelleren und leistungsfähigeren Rechner für die Benutzerschnittstelle. Auf dem UNO-2184 von Advantech unter Windows 7 Professional konnten die Prozesse der Anlage mit Hilfe der in InduSoft Web Studio enthaltenen Treiber integriert werden.  Weitere gewünschte Funktionen waren Alarmerzeugung, Microsoft SQL Server-Verbindung für MES und Protokolle, E-Mail, Übertragung von Dateien über FTP, Grafik- und Designtools, Schutz von geistigem Eigentum, integrierte ActiveX-Steuerung, OPC, Erstellung von Berichten und PDF-Export, eine praktische Symbolbibliothek, Thin-Client-Konfiguration, Erfassung von Trends sowie Troubleshooting. In InduSoft Web Studio sind diese Funktionen bereits enthalten, mit der Programmiersprache C sind sie jedoch nur äußerst schwer und mit hohem Entwicklungsaufwand zu programmieren.

Es gab jedoch noch mehr technische Herausforderungen. Die Sandsackanlagen sind auf mehrere Sandgruben in den USA verteilt und müssen über UMTS-Modem, Wi-Fi oder LAN (Local Area Network) mit der Netzbetriebszentrale von Sandbags kommunizieren können. Jeder Standort verfügt über zwei Industrie-IP-Kameras für Videostreams. Die Anlagen übertragen außerdem lokale Wetterdaten, die von einer integrierten AirMar® WeatherStation® erfasst werden, sowie den Status der Anlage und Nutzungsdaten vom SPS und den Bedieneroberflächen an die Betriebszentrale von Sandbags. Diese vielen Anforderungen erfordern eine Lösung, die einfach mit vielen einzelnen Geräten kommunizieren kann und entsprechende Schnittstellen bietet.



Abb. 3: Dieses Menü erstellt eine Instrumententafel der Anlage, auf dem Wetterdaten, Fehlermeldungen, Standort und die Leistung der Anlage angezeigt werden.


Die Lösung

Jede Super 50-Anlage von Sandbags verfügt über einen Industrierechner Modell UNO-2184 von Advantech, der unter Windows 7 Professional mit einer Laufzeit von InduSoft betrieben wird.

Jede Anlage nutzt den sicheren Industrie-Router „eWon EW2620A“ mit LAN-Modem, der über VPN (Virtual Private Network) einen sicheren Fernzugriff, Alarmmeldungen und Software-Updates ermöglicht. Der eWon dient außerdem zur Ferndiagnose und Fehlerbehebung an SPS und den Bedienerschnittstellen. Das eWon-Gerät war in der Anfangsphase während der Entwicklung der Alpha-Version der wichtigste Baustein des Projekts.

In der Sandsackanlage Super 50 von Sandbags ist ein AWK-5232 von Moxa® eingebaut, ein industrieller IEEE 802.22a/b/g/n Wireless Acess Point/Bridge/Client mit Dual-RF. Wenn das Gerät im Modus „Wi-Fi-Kommunikation“ ist, sendet die InduSoft Web Studio-Anwendung Videostreams von beiden Kameras, die SPS-Daten und die Daten der Wetterstation von AirMar an die Betriebszentrale. Wenn sich die Anlage über einen längeren Zeitraum an einem Standort befindet, kann sie statt an einen tragbaren Generator direkt an die Stromversorgung angeschlossen werden und statt einem UMTS- oder WiFi-Modem ein Cat6 Ethernet-Verbindung nutzen. Nun überträgt das LAN-Kabel die Echtzeitdaten und Videos an das Network Operating Center von Sandbags.

In Network Operating Center von Sandbags steht der missionskritischer Server HPC-7480 von Advantech, auf dem Windows Server 2008 läuft. Daneben gibt es einen Rechner mit Windows 7 Professional und eine InduSoft Web Studio-Anwendung, welche die Betriebsdaten anzeigt. Außerdem wird eine eWon eFive VPN (Virtual Private Network)-Anwendung eingesetzt, die mit 25 einzelnen Sandsackanlagen an verschiedenen Standorten kommunizieren kann. Wenn diese künftig erforderlich werden sollte, kann die VPN-Anwendung für die Kommunikation mit 100 Anlagen erweitert werden.

Die Videostreams von der Anlage erhöhen die Sicherheit und ermöglichen die Überwachung des Betriebs und visuelle Kommunikation. So kann der Produktionsleiter des Unternehmens die Arbeitsabläufe effizienter gestalten. Im Falle eines Zwischenfalls liegt eine lückenlose Videoaufzeichnung der gesamten Sandsackproduktion am Standort vor.

Die Wetterstation von AirMar verfügt über GPS, mit dessen Hilfe die Unternehmensleitung den Standort jeder Anlage jederzeit nachverfolgen kann. Außerdem liefert sie Daten über Windrichtung und 
-geschwindigkeit sowie Luftdruck, mit denen Niederschläge und Stürme vorhergesagt werden können. So kann die Produktion bei witterungsbedingten Problemen unterbrochen werden.

Jede SPS und Bedieneroberfläche übermittelt rund um die Uhr Daten zur Steuerung und Status jeder Anlage. Die SPS zählt die Sandsäcke der beiden Förderer, vergleicht den Zählerstand mit der theoretischen Höchstleistung und ermittelt so die Prozesseffizienz. Außerdem berechnet sie die Sandsackgesamtzahl pro Tag, Woche, Monat, Auftrag usw., wenn diese für die Abrechnung oder das MES (Manufacturing Execution System) im Network Operating Center benötigt wird.  Die SPS überwacht den Status des Generators; mit den Daten können Wartungszyklen und Gesamtverfügbarkeit des Generators berechnet werden.

Außerdem werden historische MES-Daten und Messwerte gespeichert, die die Sandsackproduktion und den Betrieb der Anlage betreffen, beispielsweise Leistung, Säcke pro Stunde oder Tag und Wetterdaten.  Auch die Not-Aus-Schaltung aller Anlagen wird über das System aufgezeichnet.  

Die Integration der Anwendung auf den Super 50-Sandsackanlagen von Sandbags erhielt den letzten Schliff von Gina Roberts von der Firma Dynapac, die besonders auf die Erdung aller Bauteile achtete, um elektromagnetische Interferenzen (EMI) und HF-Störungen zu minimieren. Da Sand zu Verschleiß und einer Beschädigung der Rechner führen kann, wurden die elektronischen Bauteile als weitere Schutzmaßnahme in Edelstahlgehäuse mit gefilterter Luftkühlung eingebaut, die auch vor EMI und HF-Störungen schützen. Viele Sandgruben befinden sich in abgelegenen oder (für Elektronik) unwirtlichen Regionen, in denen die Spitzentemperatur im Tagesverlauf 50°C übersteigen kann. Für einen erfolgreichen Abschluss des Projekts sorgten Mark „Gil“ Supnet und Chris Doan von Quantum Automation.  InduSoft unterstützte die Entwicklungsarbeit durch die Konfiguration des Web Thin Client und der App für den mobilen Zugriff durch iPads und mobile Android-Geräte, die vor Ort und im Network Operating Center von Sandbags™ verwendet werden.

 

Das Ergebnis

Sandbags plant derzeit den Bau von fünf weiteren Anlagen des Modells Super 50 und fünf neueren Super 44. Jede Anlage wird mit einer InduSoft Web Studio-Laufzeit auf einem UNO-2184-Board von Advantech ausgestattet. Sandsäcke dienen als gleichmäßiges Fundament für Öl-, Gas- und Wasserleitungen und können während Naturkatastrophen Leben retten und Gebäude schützen. Jedes Jahr werden 4 Mrd. Sandsäcke von Hand gefüllt und vernäht. Der Super 50 von Sandbags hat eine Spitzenleistung von 2000 Sandsäcken pro Stunde. Die FEMA und lokale Katastrophenschutzagenturen können dank der Stärke der Super 50 von Sandbags mehr Leben retten und mehr Häuser schützen.  

Dank der Nutzung von InduSoft Web Studio konnte die Konstruktion der Sandsackanlage Super 50 viele Monate früher abgeschlossen werden als bei einer Programmierung mit C in einer Linux-Umgebung, die viel spezialisierte Programmierarbeit für Benutzerschnittstelle und SCADA erfordert hätte. So entstand ein äußerst professionelles, wartungsfreundliches Endprodukt mit einer höheren Betriebseffizienz, mit dem die Projektmanager planbare Ergebnisse und Erfolge zu wesentlich geringeren Entwicklungskosten erzielen konnten.



Abb. 4: Dank der Anwendung kann die Sandsackanlage GPS-Daten und Videostreams an die Steuerungszentrale übertragen.



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