Lämmön kausivarastointijärjestelmän automatisointi ja väyläteknologiat : Mittaustiedon lukeminen ja toimilaitteiden ohjaus Modbus RTU -väylällä

Abstract

Tämän opinnäytetyön aiheena oli suunnitella lämmön kausivarastointijärjestelmän automaation ohjaus sekä ohjauksen käyttöliittymä. Automaation ohjaus toteutettiin Siemens S7-1200 PLC:llä ja käyttöliittymä toteutettiin Siemens KTP1200 -kosketusnäyttöpaneelille. Järjestelmässä käytettiin Profinet- ja Modbus RTU RS485 -kenttäväyliä. Osa järjestelmässä olevista IO-yksiköistä, antureista, mittareista ja toimilaitteista kommunikoi Modbus RTU RS-485 -väylän avulla PLC:n kanssa. Pääpaino työssä oli mittaustiedon lukemisessa ja toimilaitteiden ohjauksessa Siemens PLC:llä Modbus RTU RS485 -väylän avulla.

Opinnäytetyö on jaettu teorian ja käytännön osuuksiin. Opinnäytetyön alussa teoriaosuudessa käsitellään ensin automaation ohjaamista ja väyläteknologioita yleisellä tasolla. Sen jälkeen perehdytään syvemmin Modbus RTU -väylän käyttöön kenttäväylänä prosessissa tai järjestelmässä. Ensin käydään läpi, mihin kenttäväyliä tarvitaan, mikä on kenttäväylä ja mitä etuja sillä saavutetaan. Teoriaosuudessa lisäksi selitetään Modbus-kommunikoinnin perusteet ja esitellään standardit, jotka käsittelevät Modbus-laitteiden liittämistä toisiinsa. Sen jälkeen perehdytään tarkemmin Modbus-protokolliin ja tiedonsiirtoon.

Käytännön osuuden alussa selitetään kohteena olevan lämmön kausivarastointijärjestelmän rakenne ja käyttötarkoitus. Sen jälkeen käydään läpi projektin kulku ja esitellään kenttälaitteisto, logiikka-laitteet ja tuotetut dokumentit. Osuudessa myös selitetään miten PLC:n koodi ja valmis käyttöliittymä rakennettiin. Lisäksi käsitellään Modbus-kommunikoinnin rakentamista Siemens TIA Portal työkalulla.

Opinnäytetyön tuloksena saatiin suunniteltua automaation ohjausjärjestelmä lämmön kausivarastointijärjestelmälle. Ohjausjärjestelmän toiminnot testattiin testilaitteistolla, johon liitettiin muutamia kenttälaitteita. Koko järjestelmän käyttöönoton jälkeen aloitetaan järjestelmän todellisen energiatehokkuuden tutkiminen ja mahdollinen parametrien säätäminen. Opinnäytetyö toimii myös oppaana Modbus-väyläteknologian toiminnan ymmärtämisessä.

The purpose of this thesis was to design the automation control of seasonal thermal energy storage system and a user interface of control system. A Siemens S7-1200 series PLC was used to control automation and the user interface was implemented on a Siemens KTP-1200 touch screen panel. Profinet and Modbus RTU RS-485 fieldbuses were used in the system. Some of the system IO unit, sensors, meters and actuators communicate with the PLC by using the Modbus RTU RS-485 bus. The main focus of the thesis was on reading the measurement data and controlling the actuators with a Siemens PLC using the Modbus RTU RS485 bus.

The thesis is divided into theoretical part and practical part. At the beginning of the thesis, the theoretical part first explains automation control and bus technologies at a general level and then orient more deeply the use of Modbus RTU bus as a fieldbus in a process or system. In the beginning is explained where fieldbuses are needed, what is the fieldbus and what benefits does it bring. In the theory part is also explained the basics of the Modbus communication and standards which handles of connecting the Modbus devices to each other are presented. After that the part handles the Modbus protocols and data transfer.

The structure and purpose of the targeted seasonal thermal energy storage system is explained on the practical part. Then this part goes through the steps of project and introduce field devices, PLC components and produced documents. In this part has also describes how PLC code and user interface was built. Built of Modbus communication in TIA Portal tool was also explained in practical part.

As a result of the thesis, an automation control system for the seasonal heat storage system was designed. The control system functions were tested with test equipment, to which a few field devices were connected. After commissioning the entire system, the study of the actual energy efficiency of the system and possible adjustment of the parameters will begin. The thesis also serves as a tutorial in understanding the operation of Modbus technology.