Dem Frost trotzen

Mit SIMATIC S7-1200 schützt der Landwirtschaftsbetrieb Thiermann im Dümmer-Weserland seine Heidelbeerplantagen vor Kälteeinbrüchen im Frühjahr.    
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Herausforderung

Gefahr im Frühjahr

Vor allem kalte Frühlingsnächte machen Obstbauern wie Heinrich Thiermann zu schaffen. Denn die Frostnächte, die häufig auf die ersten warmen Tage des Jahres folgen, sind eine echte Gefahr für die riesigen Heidelbeerkulturen des Landwirtschaftsbetriebs aus dem niedersächsischen Kirchdorf. Doch das Familienunternehmen ist vorbereitet – und tritt mit Wasser gegen Frostschäden und Ernteausfälle an.

Das Portfolio des Landwirtschaftsbetriebs aus dem Dümmer-Weserland inmitten des Städtedreiecks Hannover, Bremen und Osnabrück reicht von Obst- und Gemüseanbau über konventionelle Landwirtschaft bis hin zu Schweinemast, Getreide- und Maisanbau, Biogasproduktion und Windenergie. Um den betrieblichen Ablauf vom Anbau bis zur Vermarktung der Produkte fachgerecht auszuführen und logistisch zu organisieren, sorgt neben dem Einsatz modernster Technik eine Vielzahl an Mitarbeitern für die umweltschonende und nachhaltige Erzeugung der Produkte.

Doch selbst deren unermüdlicher Einsatz kann gerade die empfindlichen Blüten der Heidelbeersträucher nicht vor nächtlichen Minustemperaturen schützen. Denn je weiter die Blüten fortgeschritten sind, desto weniger vertragen sie die Kälte. Erfrieren bereits die Knospen, bilden sich keine Früchte und es drohen Ernteausfall und Umsatzeinbußen. Das musste auch Heinrich Thiermann 2010 deutlich erfahren: Fast 50 Prozent der rund 2000 Tonnen Heidelbeerernte fielen dem Frost zum Opfer. Um so etwas ein weiteres Mal zu verhindern, setzt er nun auf Automatisierungstechnik von Siemens mit dem Logikmodul LOGO! und SIMATIC S7-1200 Steuerungen.    

Lösung

Mit Wasser gegen Eis

Damit er plötzlichen Temperatureinbrüchen wirkungsvoll begegnen kann, hat Thiermann auf den Feldern Anlagen zur Frostschutzberegnung installiert. In regelmäßigen Abständen stehen über die rund 250 Hektar große Heidelbeerplantage verteilt mehrere hundert Sprinkler, die Wasser über die Kronen der Sträucher versprühen.

„Diese sogenannte Beregnung ist eine Möglichkeit, damit die empfindlichen Heidelbeerblüten nicht erfrieren“, erklärt der verantwortliche Betriebsleiter für die Heidelbeerkulturen, Rainer Plenge . „Der Zeitpunkt, wann wir die Beregnung aktivieren, hängt davon ab, wie weit die Blüte fortgeschritten ist. Bei geschlossenen Knospen warten wir bis die Temperatur auf minus 0,5 Grad Celsius fällt. Aber sobald sich die Blüten öffnen, schalten wir die Pumpen bereits bei Erreichen des Gefrierpunkts ein.“

Diese Art des Frostschutzes nutzt die physikalischen Eigenschaften des Wassers. Beim Übergang des Wassers vom flüssigen in den festen Aggregatzustand entsteht Wärme. Da ständig Wasser auf die gefrorenen Äste gesprüht wird, bleibt der Gefrierprozess in Gang und die Temperatur im Inneren der vereisten Äste, Knospen und Blüten schützt sie vor Frostschäden. „Dieses Verfahren funktioniert aber nur, wenn wir die Blüten kontinuierlich mit Wasser besprühen“, betont Plenge. „Wenn man die Beregnung unterbricht, erfrieren die Blüten, da es zu Wärmeverlusten auf den Oberflächen durch Verdunstungskälte kommt. Sobald die Tagestemperatur wieder über Null Grad steigt, stellen wir die Sprühanlagen ab. Das Eis schmilzt und das Wasser versickert wieder im Boden.“    

Ohne die Sprinkleranlagen hätten wir Verluste in Millionenhöhe gehabt.

Rainer Plenge, Betriebsleiter für die Heidelbeerkulturen

Modernste Automatisierungstechnik für die Pumpen

Um stets für eine ausreichende Versorgung der Sprinkleranlage zu sorgen, wurden an den Feldrändern Brunnen gebohrt und mit Förderpumpen bestückt. Zusätzlich wurde an jeder Pumpstation ein Schaltschrank installiert und mit Steuerungskomponenten ausgerüstet. Diese bestehen jeweils aus einem Logikmodul LOGO! 8 mit einem Netzteil für den 24V-Betrieb und einem Analog-Erweiterungsmodul für den Anschluss der Druck- und Temperatur-Sensoren. Hinzu kommen ein Sirius-Sanftstarter zur Leistungsbegrenzung beim Einschalten der Pumpe sowie ein Router SCALANCE M826-2.

Die Hälfte der insgesamt 34 Pumpstationen ist mit diesem über 2-Draht-DSL-Leitungen mit der zentralen Kopfstation verbunden, der Rest mit einem zusätzlichen Router SCALANCE M874 über das GSM-Mobilfunknetz. Mit Firewall-Funktionen und VPN-Tunneling schützt ein Security-Modul SCALANCE S615 das Netzwerk und die eingebundenen Systeme gegen unbefugte Zugriffe. Es ist zudem mit der Managementplattform SINEMA Remote Connect verbunden. Per Fernzugriff können die verteilten Stationen nun komfortabel, sicher und zentral gesteuert und gewartet werden. Der SINEMA-Server bietet eine verlässliche Grundlage für den weiteren Ausbau des Netzwerks, vereinfacht das Parametrieren der Stationen und Verwalten der IP-Adressen.

Im Schaltschrank der Kopfstation übernehmen vier SIMATIC S7-1200 Steuerungen verschiedene Kontroll- und Steuerungsaufgaben. Sinkt die Außentemperatur auf 0,7 Grad Celsius sinkt, geht eine Alarmmeldung an eine SIMATIC-SPS. Ein 12-Zoll-Farbdisplay SIMATIC HMI TP2100 Comfort ermöglicht es den Mitarbeitern, die Aggregate ein- und auszuschalten sowie den Druck und die Temperatur jeder einzelnen Pumpstationen zu überwachen und zu steuern – per Smart-Server-Option auch über das Smartphone.    

Vorteile

Mit SIMATIC S7-1200 zum Erfolg

Doch diesen Grad der Automatisierung gab es nicht immer. Als 2010 die Sprinkleranlagen gebaut wurden, wurde das Wasser mit Hilfe von mechanischen Druckschaltern und Zeitrelais versprüht. Weil diese Druckschalter extrem schwierig einzustellen sind, wurde die Anlage schließlich Anfang 2013 elektrifiziert.

Drucksensoren geben vor, wann eine Pumpe in Selbsthaltung gehen soll. LOGO! steuert über ein Zeitrelais die Anlaufphase bis der passende Pumpendruck aufgebaut ist. Sobald ein Sensor einen Über- oder Unterdruck in einer Rohrleitung misst, schaltet das Logikmodul die Elektropumpe ab. Neben dem Druck überwacht die Kleinsteuerung auch die Temperatur mittels Widerstandsthermometer. Erreicht diese einen vordefinierten Schwellwert, sendet sie die Meldung an eine S7-1200 CPU in der Kopfstation. Über das Touch-Panel aktiviert ein Mitarbeiter nun die Beregnungsanlage. Der Befehl geht an die LOGO!-Steuerung der entsprechenden Feldstation, die sämtliche pumpenrelevanter Daten kontrolliert und aktiviert.

Die Umsetzung der Steuerungs- und Elektrotechnik übernahm die Bahrenborsteler Firma Wilhelm Schwenker Elektro mit Unterstützung von Helmut Kiehling, einem Planungsingenieur des Elektrogroßhandels Frommeyer + Ziegemeyer K. Beine GmbH & Co. KG aus Osnabrück.

Leistungswerte exakt und schnell anpassen

Die Logikmodule erlauben eine exakte und äußerst schnelle Anpassung der geforderten Leistungswerte. Die vom Sensor aufgenommenen „Ist“-Werte, die das LOGO!-Display anzeigt, die Sollwerte lassen sich über die Tastatur ändern. Sicherheitsrelevante Faktoren wie Abschaltung bei Nullmenge oder Minimalmenge in der Rohrleitung berücksichtigt die Programmlogik ebenso. Steuer- und Statusinformationen zwischen den S7-1200 Steuerungen und den LOGO!-Modulen im Feld werden kontinuierlich ausgetauscht. Mit dem Engineering-Framework TIA Portal wurden die Simatic Steuerungen projektiert, während die Programme für die Logikmodule mit LOGO! Soft Comfort entwickelt wurden.

Wie sehr der Heidelbeeranbau der Familie Thiermann von dieser neuen Technik profitiert, zeigte sich erneut im Frühjahr 2017. Von Anfang April bis Mitte Mai gab es mehrere Kälteeinbrüche mit Frostalarm. „Die Temperaturen gingen in 14 Nächten so weit runter, dass wir die Sträucher beregnen mussten“, erinnert sich Betriebsleiter Plenge. „Einige Male waren die Pflanzen noch bis zum frühen Nachmittag mit einer Eisschicht bedeckt. Ohne die Sprinkleranlagen hätten wir Verluste in Millionenhöhe gehabt.“

Industrial-Security-Hinweis:
Es sind geeignete Schutzmaßnahmen (u. a. Industrial Security, z. B. Netzwerksegmentierung) zu ergreifen, um einen sicheren Betrieb der Anlage zu gewährleisten. Erfahren Sie mehr zum Thema Industrial Security.

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