History in the Making
Ein Gas-/Dampfturbinen-Kraftwerk in Budong, im Süden Koreas, ahnt auftretende Störungen bis zu einer Stunde im Voraus und gibt Hinweise, wie diese vermieden werden können. Möglich macht dies die Nachrüstung mit einer Diagnose- und Simulationssoftware, die auf Grund aktueller Messdaten Alarme und Abschaltvorgänge voraussagt.
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Diversität ist ein in der Sicherheitstechnik bewährtes Konzept: Neben dem eigentlichen Automatisierungssystem wird ein zweites, funktionell jedoch anders strukturiertes Kontrollsystem aufgebaut, welches das erste überwacht, kontrolliert und bei Fehlern korrigierend eingreift, um negative Auswirkungen zu vermeiden. Dieses Konzept griff infoteam Software in Zusammenarbeit mit seinem koreanischen Partner BNF Breakthrough and Fusion auf und setzte es in einer Software-Architektur zur Überwachung und Kontrolle komplexer Anlagen um. Die Software-Architektur sollte die Funktionalität eines vollständigen Distributed Control System (DCS) auf einem einzigen Server emulieren. Der versuchte Einsatz kommerziell verfügbarer Produkte scheiterte dabei allerdings schon in der Erprobungsphase. Chefingenieur Jong-Hun Lee von Korea South East Power: „Wir sind mit allen Produkten gescheitert. Es dauerte viel zu lange, die Ursache einer Störung zu ermitteln, so dass es für Gegenmaßnahmen meist zu spät war. Es war auch unmöglich, die internen Zustände der Steuerungslogik nachzuvollziehen, so dass Softwarefehler damit überhaupt nicht erkannt werden konnten. Es kristallisierte sich heraus, dass nicht nur die Verwendung von Multi-Core Core-PCs mit RAID-Architektur, sondern vor allem auch betriebsbewährte und extrem leistungsfähige Software zum Einsatz kommen musste. Strenge Anforderungen Die Anforderungen an die neuartigen Funktionen wurden im Rahmen eines Forschungsprojektes ermittelt:
Als Folge der festgelegten Anforderungen ist die Systemarchitektur "Trip Information System (TIS)" entstanden. Störungsanalyse per 7. Sinn
Die Anlage in Budong basiert auf einem DCS-System von ABB mit Funktionsplan-Programmierung in Progress2, das über einen Feldbus Daten für das übergeordnete Leitsystem zur Verfügung stellt. Dieses verteilte Steuerungssystem wurde nun mit TIS um einen zentralen Datenserver ergänzt, der alle I/O-Daten vom Feldbus in einer historischen Datenbank speichert. Die relevante Logik des DCS-Systems - mehr als 700 Seiten - sind als IEC- 61131-3-Funktionsplan im Datenserver implementiert. Dabei kommt dem TIS-System die Leistungsfähigkeit einer modernen SoftSPS zugute, die es erlaubt, die Funktionalität von insgesamt rund einem Dutzend verteilter Steuerungen auf einem einzigen PC zu realisieren. Die ursprüngliche Applikation ist in 35 Tasks aufgeteilt, um eine detailliertere Zuordnung von Funktionseinheit zu Anwendungsprogramm zu ermöglichen. Dies ist eine der Voraussetzungen, um später zielgerichtet und schnell Diagnosen durchführen zu können. Diese "Schatten-Applikation" wird von einer Soft-SPS ausgeführt, welche zyklisch die I/O-Daten aus der Datenbank erhält und sämtliche lokalen Werte der Applikation alle 20 ms zyklisch in der Datenbank speichert. Damit enthält die Datenbank alle Daten der Anlage aus einem Zeitfenster von 1 bis 2 Stunden. Von übergeordneten Engineering-Stationen können zudem Clients auf diese Datenbank zugreifen und neben dem Programm- und Variablenstatus im Funktionsplan auch Anlagenbilder und Trenddiagramme der erfassten Werte anzeigen. Die Betriebsarten Die Komplexität der Aufgabenstellung erfordert die koordinierte Zusammenarbeit sehr vieler Systemkomponenten und dies verteilt auf den Server und mehrere Clients. Bediener sind im Störfall und unter Stress und mit einer solchen Komplexität überfordert. Die Funktionalität von TIS wurde deshalb den unterschiedlichen Fragestellungen, die im Laufe einer Schicht auftreten, durch die Einführung der Betriebsarten Monitor, Alarm, History und Simulation angepasst:
Die Messwert-Verarbeitung Die Aufzeichnung der Daten aus dem DCS-System erfolgt direkt im Schaltschrank über Kommunikationskarten, die alle Messwerte und Steuerungssignale mithören und über ein 1-GHz- Fast-Ethernet an den TIS-Server übermitteln. Die Echtzeit-Datenbank archiviert die Daten, nachdem diese vom Hersteller-spezifischen, in ein Standardformat konvertiert und mit einem Zeitstempel versehen wurden. Da die Daten bei einem verteilten System aus unterschiedlichen Quellen stammen, werden sie vom Datenbank- |
Interface zyklisch und zeitsynchron über einen OPC-Server dem Laufzeitsystem zur Verarbeitung übermittelt. Die SoftSPS arbeitet in mehreren Dutzend Prozessen die Funktionspläne ab, die vorher mit der IEC-61131-3-Programmierumgebung OpenPCS erstellt wurden. Diese geben exakt die Funktion der Automatisierungssoftware im DCS-System wieder und enthalten Funktionen wie die Überwachung z.B. von Vibrationen, Öldruck und Temperatur, Drehzahl und Temperatur der Gasturbine sowie Druck, Durchsatz und Temperatur in der Dampfturbine. Während der normalen Monitor-Betriebsart nutzt das Bedienpersonal verschiedene Client-Stationen, um die Anlage zu steuern und zu überwachen. Bisher waren diese Anzeigemöglichkeiten auf unterschiedliche Softwaretools verteilt und eine gleichzeitige Darstellung von Funktionsplan, Bedienoberfläche und Trendverlauf wichtiger Messwerte in einer Rahmen-Applikation nicht möglich. Erst die synchronisierte Animation schließt Fehlinterpretationen durch eine inkonsistente Darstellung aus. Die aktuellen Werte lassen sich mit ihren zulässigen Grenzwerten vergleichen, indem der Bediener etwa die Trend-Entwicklung für die Öltemperatur mit der aktuellen Drehzahl der Turbine, welche ihm das Bedienfeld anzeigt, vergleicht. Ein Blick auf den Funktionsplan der Steuerungslogik zeigt ihm dabei die identischen Werte zusammen mit dem Programm für die Ölkühlung und den Schutz vor Überdrehzahl. Auf die exakte Übereinstimmung der Darstellung der Anlage im Funktionsplan mit dem tatsächlichen Regelalgorithmus kann sich der Bediener verlassen! Die üblicherweise verwendete Dokumentation auf Papier ist dagegen meist veraltet.
Dieser Vorgang dauert typischerweise etwa eine Minute, im Vergleich zu Stunden oder Tagen bei manueller Auswertung. Liegt die Pfadinformation vor, stellt der Funktionsplan automatisch das richtige Programm an der betroffenen Stelle mit dem ermittelten Pfad der KKS-Signale in rot dar. Da die Ursache der Störung in der Regel einige Zeit in der Vergangenheit liegt, ist es für die Bediener von entscheidendem Vorteil, alle Informationen wie HMI und Trendanzeige zum Zeitpunkt der Ursache automatisch angezeigt zu bekommen. Aus der Flut vieler tausend Signale wurde von TIS bereits das richtige, die Störung auslösende, herausgefiltert. Mit jeder Regel ist aber auch Zusatzinformation zur Beseitigung der möglichen Störungsursache hinterlegt. Ein Beispiel: Alarm, Druckanstieg im Kondensator, ausgelöst durch die Regel "Druck nähert sich dem Grenzwert von 0,2 bar um weniger als 10 %". In Abhängigkeit davon, ob eine der Vakuumpumpen ebenfalls eine Störung meldet und wie schnell die Druckänderung vonstatten geht, wird automatisch die Empfehlung gegeben, entweder eine Reservepumpe einzuschalten, oder die Filter zu überprüfen. Dadurch wird nicht nur wertvolle Zeit gewonnen, sondern sichergestellt, dass auch weniger erfahrenes Schichtpersonal die richtigen Maßnahmen ergreift, ohne auf die Spezialisten zur Störungsanalyse warten zu müssen. Störungsanalyse im Zeitraffer Da während eines Trips die Datenaufzeichnung noch für einen bestimmten Zeitraum fortgeführt wird, ist in der History- Betriebsart nicht nur eine detaillierte Ursachen-Analyse möglich, sondern auch eine Untersuchung über die Wirkung der vorgenommenen Maßnahmen zur Behebung. Durch die lückenlose Aufzeichnung aller Messwerte und der internen Daten kann eine umfassende Beurteilung eines Störfalls und seines Ablaufs wie beim Flugschreiber eines Flugzeuges erfolgen. Archivierte Daten früherer Störfälle lassen sich aber auch zur Prüfung der Wirksamkeit von Regeln und Maßnahmen heranziehen. Die Entwicklung der Wissensbasis wird durch historische Daten abgesichert. Wie bei einem Videorekorder kann der Beobachtungs-Zeitpunkt mit Hilfe des Datenmanagers im Zeitraffer oder in der Zeitlupe in die Vergangenheit und die Zukunft verschoben werden. Jeder Zustand der Anlage lässt sich damit reproduzieren und sowohl im HMI als auch im Trend oder im Funktionsplan mit historischen Werten nachvollziehen. Die schrittweise Ausführung eines jeden einzelnen Zyklus hilft dabei auch beim debuggen der Steuerungslogik. Haben sich Softwarefehler bisher dem Zugriff der Betreiber entzogen, wird nun die gesamte Funktionsweise transparent. |
Dieser Anwenderbericht steht Ihnen hier auch als PDF zum Download zur Verfügung.
Michael Sperber
Vorstand
Fon: +49 9131 78 00 13
Email: Michael.Sperber
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