Projekthintergrund: Das Wärmekraftwerk Shijiazhuang Ost verfügt über vier konventionelle Wärmekraftwerksblöcke (Blöcke 12–15), bestehend aus Hochtemperatur- und Hochdruck-Kohlekesseln des Typs NG-220/110-M2 und Dampfturbinen des Typs B25-8.82/0.98. Diese sind seit zehn Jahren in Betrieb und nutzen traditionelle Wärmeregelungstechnik. Das bestehende, kleine Datenerfassungssystem mit einer Kapazität von 54 Datenpunkten liefert lediglich einige wichtige Parameter und einfache Darstellungen. Es ist zudem schwer modifizierbar und entspricht nicht den Anforderungen des modernen Wettbewerbs im Energiesektor. Eine Modernisierung ist daher dringend erforderlich. Angesichts der fortschreitenden Energiereform und der damit einhergehenden Ausschreibungen für Netzanschlüsse ist ein umfassendes Verständnis der dynamischen Kosten und des Betriebszustands der Blöcke in Echtzeit unerlässlich. Die Kraftwerksleitung hat daher nach sorgfältiger Abwägung beschlossen, ein Datenerfassungssystem zu installieren, um die Informationen des Produktionsprozesses präzise zu erfassen. Designprinzipien: 1. Leitidee (1) Die vorhandene Ausrüstung vor Ort optimal nutzen, möglichst wenig zusätzliche Ausrüstung anschaffen und ein optimales Kosten-Nutzen-Verhältnis anstreben. (2) Das neue System sollte einen gewissen Fortschritt gewährleisten. (3) Das neue System sollte funktional, stabil und zuverlässig sein. Verwendete Software: InTouch 7.1, InSQL Server 7.1, FactoryFocus 7.1, ActiveFactory Suite, Voyager 3.0. Vorteile: Risikostreuung, Stabilität und Zuverlässigkeit, gute Skalierbarkeit, optimales Kosten-Nutzen-Verhältnis, Datenaustausch. 2. Designprinzipien Basierend auf den oben genannten Leitprinzipien ergeben sich folgende Designprinzipien: (1) Risikostreuung: Bei Problemen eines Bedieners werden die automatischen und Schutzeinrichtungen der Maschine nicht beeinträchtigt. Fällt ein Subnetz einer Bedienerstation aus, sind andere Subnetze nicht betroffen. Fällt ein Netzwerkknoten aus, wird das gesamte Netzwerk nicht lahmgelegt. Eine physische Isolation von der Außenwelt schützt vor Viren und böswilliger Beschädigung. (2) Stabilität und Zuverlässigkeit: Das System soll einen stabilen Langzeitbetrieb gewährleisten und einige herkömmliche Instrumente ersetzen. (3) Gute Skalierbarkeit: Das Netzwerk soll sich einfach um neue Knoten erweitern, neue Erfassungsgeräte problemlos anschließen und Daten mit anderen Systemen austauschen lassen. (4) Umfassende Systemfunktionen: Das neue System soll folgende Funktionen bieten: A. Kontinuierliche Überwachung verschiedener Betriebsparameter und des Betriebszustands der Anlage sowie Durchführung der erforderlichen Verarbeitungsschritte für jeden Parameter. Es verfügt über ein CRT-Display zur Anzeige verschiedener Parameter, Tabellen, Kurven, Balkendiagramme, Trenddiagramme und Simulationsdiagramme. B. Geplanter Druck, Anforderungsdruck und Alarmdruck. C. Zugriff auf relevante historische Daten für Unfallanalysen und wirtschaftliche Betriebsabläufe. D. Umfassende Alarminformationen und detaillierte Alarmpunktinformationen auf einem CRT-Display. Online-Datenaustausch und Anbindung an andere Systeme zur Erfassung thermischer Parameter. Die Systemkonfiguration wurde sorgfältig geprüft und umfassend bewertet. Wir haben uns für die FactorySuite-Suite von Wonderware entschieden. Wonderware ist ein amerikanisches Unternehmen, das FactorySuite entwickelt hat, eine Software-Suite für die industrielle und prozesstechnische Automatisierung auf Basis der Microsoft Windows-Plattform. Die Struktur ähnelt Microsoft Office; es handelt sich um ein multifunktionales Softwarepaket, das sich leicht erlernen und bedienen lässt. Die Systemhardware nutzt die Feld-SPS und SRE-Überwachungsinstrumente optimal und ergänzt sie um ein ADAM-Modul für den Zugriff auf verschiedene Datentypen. Daher verwendet das Datenerfassungssystem für thermische Parameter des Wärmekraftwerks Shijiazhuang (im Folgenden: Datenerfassungssystem) Komponenten von FactorySuite, nämlich InTouch 7.1, Factory Focus 7.1, InSQL 7.1, SuiteVoyager 2.0 und ActiveFactory. Diese Komponenten bilden zusammen mit der Systemhardware das Datenerfassungssystem. Jede der vier Generatoreinheiten verfügt zusammen mit ihren Hilfssystemen (Brennstoffzufuhr, chemische Wasseraufbereitung und Entgasung des Speisewassers) über eine Bedienerstation, die zentral von der Ingenieurstation im Büro des Schichtleiters der Turbinen gesteuert wird. Dies bildet die Ethernet-Struktur des Datenerfassungssystems, dessen schematische Darstellung im beigefügten „Netzwerkstrukturdiagramm“ zu sehen ist. Im Diagramm übernimmt jede Bedienerstation die Datenerfassung und -übertragung, die Ingenieurstation die Systemverwaltung und Informationsverteilung und die Historienstation die Datenspeicherung und den externen Datenaustausch. Dadurch werden verschiedene Designkonzepte umgesetzt und die technischen Ziele erreicht. Gemäß den Designprinzipien arbeitet das System zentral um eine Ingenieurs-Workstation im Büro des Schichtleiters der Turbine. Ein Hub verbindet zehn Bediener-Workstations (Kessel 12–15, Brennstoffzufuhr und chemische Wasseraufbereitung) zu einem einzigen Ethernet-Netzwerk. Diese Ingenieur-Workstations veröffentlichen relevante Bildschirmdarstellungen und Daten im MIS (Manufacturing Information System) des Werks. Eine Historienstation empfängt Daten von den zehn Bediener-Workstations, speichert sie und leitet sie an die integrierte Datenbank des Werks weiter. Sowohl Bediener- als auch Ingenieur-Workstations nutzen InTouch 7.1 als Betriebsplattform, auf der Anwendungssoftware zur Implementierung der Systemfunktionen entwickelt wurde. Die historische Datenstation ist mit einer Datenbank mit 5000 Datenpunkten ausgestattet. InSQL Server ist eine Echtzeit-Relationaldatenbank für die Anlage, die sich durch ihre Geschwindigkeit, einfache Abfrage und unkomplizierte Konfiguration auszeichnet. SuiteVoyager ermöglicht die Veröffentlichung ausgewählter Inhalte; Kunden können Daten einfach über Windows Internet Explorer abfragen, ohne zusätzliche Software installieren zu müssen. Bedienerarbeitsplätze erfassen verschiedene thermische Daten aus dem Feld mithilfe von drei I/O-Servern: ADAM, OMRONHL und SRE (Eigenentwicklung). Diese Architektur gewährleistet den weitgehend unabhängigen Betrieb der einzelnen Systeme und somit eine Risikostreuung. 1. Bedienerstation: Jede Bedienerstation bildet ein unabhängiges Echtzeit-Datennetzwerk. Dank serieller Schnittstellenerweiterung kann sie problemlos mit mehreren kleineren Datennetzwerken (Subnetzen) verbunden werden. Ein typischer Aufbau ist im beigefügten „Diagramm der Bedienerstationsstruktur“ dargestellt. Die im Diagramm gezeigte OMRON-SPS und das Advantech-ADAM-Modul verfügen über vollständige Kommunikationsfunktionen. Das SRE-Messgerät der Shanghai University of Electric Power besitzt ebenfalls serielle Kommunikationsfähigkeiten. Durch Forschung und Entwicklung haben wir ein Kommunikationsprogramm entwickelt und damit das Problem der Subnetzkommunikation gelöst. Die Details lauten wie folgt: Betriebssystem: Windows NT 4.0; Arbeitsumgebung: FactoryFocus 7.1; Anwendung: Eigenentwickelter I/O-Server basierend auf FactoryFocus 7.1: Omron HL ADAM SRE; Computer: Contac Industrie-PC (CPU 800 MHz, 40 Gbit/s); Kommunikationsmethode: Zwei serielle Port-Erweiterungskarten C104P, mehrere selbstgefertigte geschirmte Kommunikationskabel, Netzwerkkarten und Netzwerkkabel; Datenerfassungsgeräte: SPS, SRE-Überwachungsinstrument, Module der ADAM-Serie. Die SPS-Produkte der OMRON-Serie werden im Ostbereich unseres Werks für den Schutz der Kessel, die Brandbekämpfung und den Sicherheitstürschutz eingesetzt. Die SPS ist ein eigenständiges Steuerungssystem mit eigenen Datenerfassungs- und -verarbeitungsfunktionen. Durch einfaches Hinzufügen einer HostLink-Karte kann sie mit der Bedienerstation verbunden werden, und der Datenaustausch mit der SPS erfolgt über die OMRON HL-Kommunikationssoftware. Diese Methode ermöglicht die kostengünstige Erfassung großer Mengen an Schaltdaten. Die Module der ADAM-Serie von Advantech wurden erfolgreich in unserem System zur Erfassung thermischer Parameter für Chemikalien und Brennstoffe eingesetzt und zeichnen sich durch einfache Bedienung und unkomplizierte Vernetzung aus. In diesem Projekt werden Module der Advantech-Serie zur Erfassung von Standard-Analogsignalen (0–10 mA oder 4–20 mA) verwendet. Mithilfe der ADAM-Software lassen sich die Kommunikationsmodule 4017 und 4520 konfigurieren und ein Subnetz einfach einrichten. Die Wahl dieser Geräteart erleichtert zudem den Austausch der Komponenten und vereinfacht zukünftige Wartungsarbeiten sowie die Ersatzteilbeschaffung. SRE-Typ-Überwachungsmonitor: Die meisten Temperatursignale der Kessel in unserem Ostwerk werden von Produkten der SRE-Serie der Shanghai University of Electric Power erfasst, die über umfassende serielle Kommunikationsfunktionen verfügen. Wir haben erfolgreich ein Kommunikationsprogramm mit InTouch in VB entwickelt, das große Mengen an Temperaturdaten empfängt und im Feld einwandfrei funktioniert. 2. Ingenieurstation: Die Ingenieurstation ist die zentrale Schnittstelle des Netzwerks. Das Betriebssystem ist Windows 2000 Server, die Software InTouch 7.1 (3000 Punkte) und SuiteVoyager 2.0. Es verwaltet andere Bedienerstationen und gewährleistet die Netzwerksynchronisation. Es integriert relevante Daten, erstellt Ansichten, führt Datenformatkonvertierungen durch, veröffentlicht Informationen für MIS-Benutzer und verwaltet den Zugriff. Gleichzeitig bildet es die physische Barriere zum Echtzeit-Datensystem und verhindert, dass externe Informationen in die nächste Schicht des Datennetzwerks gelangen, wodurch die Systemsicherheit effektiv gewährleistet wird. 3. Historische Station: An den Hub angebunden, übernimmt sie die Speicherung, den Abruf und den Datenaustausch mit der integrierten Werksdatenbank für Echtzeitdaten. Das Betriebssystem ist Windows NT 4.0, die Software InSQL Server 5000 und ActiveFactory 2.0. InSQL Server ist eine relationale Echtzeit-Werksdatenbank, die ein hochkomprimiertes Datenformat und SuiteLink für schnelle Kommunikation nutzt. Dies führt zu geringem Speicherplatzbedarf und hohen Kommunikations- und Abrufgeschwindigkeiten. ActiveFactory 2.0 bietet komfortable, präzise und vielseitige Abfragemethoden und erfüllt damit umfassend die Anforderungen an Unfallanalyse, Wirtschaftlichkeitsanalyse und Leistungsberechnung. Nach Projektabschluss ergaben Tests vor Ort folgende Leistungsindikatoren: Systemverfügbarkeit: 99,9 %; Systemgenauigkeit: Erfüllt die Genauigkeitsanforderung von ±0,1 %; Anzeigegenauigkeit: Der maximale Fehler beträgt -0,045 % und erfüllt somit die Anforderung; Konsistenz: Die Übereinstimmung zwischen Vergleichs- und Sekundärinstrumentenwerten beträgt 100 % und erfüllt somit die Anforderung; Störfestigkeit: Erfüllt die Designanforderungen von 250 V Gleichtaktspannung und 120 dB Gleichtaktunterdrückung sowie 60 V Gegentaktspannung und 120 dB Gegentaktunterdrückung. Echtzeitleistung und Reaktionsgeschwindigkeit des Systems: Systemreserve: Die CPU-Auslastung der Datenerfassungskarte beträgt maximal 40 %, der tatsächliche Wert liegt bei 20 % und ist somit akzeptabel. Die CPU-Auslastung der Bedienerstation beträgt maximal 40 %, der tatsächliche Maximalwert liegt bei 30 % und ist somit akzeptabel. Die I/O-Punktreserve beträgt mindestens 15 %, der tatsächliche Wert liegt bei 20 % und ist ebenfalls akzeptabel. Die Leistungsaufnahme beträgt maximal 30–40 %, der tatsächliche Wert liegt bei 20 % und ist somit akzeptabel. Datengenauigkeit: Die Designvorgabe sieht vor, dass die Datengenauigkeit bei normaler Signalquelle mindestens 98 % beträgt. Der tatsächliche Wert liegt bei 99,5 % und erfüllt somit die Designvorgaben. Projektübersicht: Ein fünfköpfiges Projektteam wurde im Januar 2001 zusammengestellt, und die Bauarbeiten begannen am 9. desselben Monats. Das Projekt wurde am 15. April 2002 nach einer Bauzeit von drei Monaten abgeschlossen und abgenommen. Die Softwareentwicklung erfolgte vom 9. Januar 2001 bis zum 20. Februar 2001, die Bauarbeiten vor Ort vom 21. März 2001 bis zum 14. April 2001. Hardware-Design und -Installation (Statistiken nur für die 8 Bedienerstationen der Kessel Nr. 12 bis 15): (1) Entwicklung, Fertigung und Installation von 8 Computerarbeitsplätzen. (2) Entwicklung, Fertigung und Installation von 2 Datenerfassungsschränken. (3) Entwicklung, Fertigung und Installation von 8 Datenerfassungskarten. (4) Installation von 56 ADAM-Modulen und 380 Adernpaaren. (5) Verlegung von 800 Metern Netzwerkkabel und 1000 Metern Steuerkabel. (6) Fertigung und Verlegung von 40 Datenerfassungsleitungen. (7) Konfiguration und Installation von 10 Datenerfassungsrechnern (Softwareinstallation, Erweiterung der seriellen Schnittstelle und Installation von Netzwerkkarten usw.) sowie Installation eines Hubs. (8) Modifizierung von 5 SPS und 7 SRE-Überwachungsgeräten. (9) Anschluss von 20 Datenerfassungsgeräten dreier Typen (SPS, SRE, ADAM). (10) Systemkapazität: 1500 Punkte. Softwareentwicklung: (1) Entwicklung eines Kommunikationsprogramms für das SRE-Überwachungsinstrument. (2) Entwicklung einer Bedienerstationssoftware mit über 100 Bildschirmen auf Basis von InTouch 7.1. (3) Entwicklung eines Programms zur Informationsveröffentlichung (20 Bildschirme). Fazit: Bekanntermaßen verfügen die gängigen DCS-Systeme über umfassende Datenerfassungsfunktionen. Für kleine und mittlere Wärmekraftwerke mit traditioneller Wärmeregelungstechnik sind die Kosten für die DCS-Umstellung jedoch enorm und die Bauzeit relativ lang. Wie lässt sich das Problem der Produktionsprozess-Informatisierung lösen, wenn keine Voraussetzungen für eine DCS-Umstellung bestehen oder diese nicht beabsichtigt ist? Dieser Beitrag schlägt eine Lösung vor, um den dringenden Informationsbedarf im Rahmen der aktuellen Energiewende zu decken.