Zusammenfassung: Basierend auf dem Entwurf und der Anwendung des Wärmeregelungssystems für die sechs 300-MW-Einheiten der Phasen I, II und III des Kraftwerks Shenzhen Mawan analysiert und vergleicht diese Arbeit die verteilten Steuerungssysteme (DCS) INFI-90, PROCONTROL-P und XDPS-400 hinsichtlich Systemhardware, Software, Dezentralisierung, Zuverlässigkeit und Integration. Insgesamt bietet das DCS XDPS-400 in vielerlei Hinsicht Vorteile, insbesondere hinsichtlich der Mensch-Maschine-Schnittstelle, jedoch besteht Verbesserungsbedarf in der Systemdokumentation. Mit der Weiterentwicklung der Elektronik werden die Mensch-Maschine-Schnittstelle und die Systemoffenheit des DCS INFI-90 verbessert; das DCS PROCONTROL-P hingegen ist ein veraltetes Produkt und wird vom Markt verschwinden. Schlüsselwörter: verteilte Steuerungssysteme; Hardware; Software; Dezentralisierung; Zuverlässigkeit Vergleich der Prozessleitsysteme INFI-90, PROCONTROL-P und XDPS-400 hinsichtlich Systemhardware, Software, Dezentralisierungsgrad, Zuverlässigkeit und Integration. Generell bietet das XDPS-400 in vielerlei Hinsicht Vorteile, insbesondere in der Mensch-Maschine-Schnittstelle; dennoch besteht Verbesserungspotenzial bei den Systemdaten. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle und der Öffnungsgrad von INFI-90 werden mit der Weiterentwicklung der Elektronik verbessert, während das veraltete PROCONTROL-P an Bedeutung verlieren wird. Schlüsselwörter: Prozessleitsystem; Hardware; Software; Dezentralisierungsgrad; Zuverlässigkeit. Das Kraftwerk Shenzhen Mawan verfügt über eine installierte Gesamtleistung von 6 × 300 MW, wobei die Haupt- und Hilfseinrichtungen der sechs Einheiten im Wesentlichen identisch sind. Das verteilte Steuerungssystem (DCS) verwendet drei völlig unterschiedliche Systeme: Die Blöcke 1 und 2 nutzen das DCS INFI-90 von Bailey (USA) und wurden 1993 bzw. 1994 in Betrieb genommen; die Blöcke 3 und 4 das DCS PR OCONTROL-P von ABB (Schweiz) und wurden 1996 bzw. 1997 in Betrieb genommen; die Blöcke 5 und 6 das DCS XPDS-400 von Shanghai Xinhua und wurden im November 2002 bzw. Juli 2003 in Betrieb genommen. Dieser Artikel vergleicht diese drei DCS-Modelle anhand ihrer Anwendung im Kraftwerk Mawan. 1. Hardwarevergleich 1.1 Netzwerkstruktur Das DCS INFI-90 verwendet eine redundante Anlagenringstruktur zur Verbindung der zentralen Verarbeitungseinheiten und der Bedienerschnittstelle (OIS) mit Koaxialkabeln als Kommunikationsmedium. Diese Ringnetzwerkstruktur stellt hohe Anforderungen an die Kabelqualität und den Kontaktwiderstand an jedem Verbindungspunkt. Sobald ein Kontaktabbruch oder eine schlechte Verbindung im Regelkreis auftritt, wird die Datenkommunikation blockiert. Zudem ist die Kommunikationsgeschwindigkeit gering und die Skalierbarkeit schlecht. Block 2 des Kraftwerks Mawan war aufgrund von Koaxialkabelfehlern mehrfach von Kommunikationsausfällen betroffen, was den sicheren Betrieb des Blocks gefährdete. Die Verwendung von Koaxialkabeln als Kommunikationsmedium weist inhärente Nachteile auf. Obwohl das PROCONTROL-P DCS eine lokale Netzwerkstruktur verwendet, nutzt es ebenfalls Koaxialkabel als Kommunikationsmedium, wodurch die systembedingten Nachteile von Koaxialkabeln weiterhin bestehen. Da die Mensch-Maschine-Schnittstelle und das Echtzeit-Steuerungssystem über einen Server verbunden sind, sind die Anforderungen an den Server im Betrieb hoch. Bei einem Serverausfall verlieren die Anlagen Überwachung und Steuerung. Im Kraftwerk Mawan kam es bereits vor, dass Feldanlagen aufgrund von Serverausfällen über 20 Minuten lang keine Überwachung und Steuerung mehr durchführen konnten. Das Datennetzwerk des XDPS-400 DCS verwendet ein redundantes, fehlertolerantes Ring-Glasfaser-Ethernet mit Selbstheilungsfunktionen. Die Ein-/Ausgabebusse (E/A-Busse) der verteilten Prozessleitsysteme nutzen Ethernet-Technologie mit verdrillten Doppeladerkabeln der Kategorie 5 als Kommunikationsmedium. Dadurch werden die systembedingten Nachteile von Koaxialkabeln grundlegend überwunden; ein Kabelbruch an einem beliebigen Knoten im Doppelring führt nicht zu einer Unterbrechung der Systemkommunikation. Da die Mensch-Maschine-Schnittstelle und die verteilten Verarbeitungseinheiten dasselbe Kommunikationsprotokoll (TCP/IP) verwenden, sind sowohl die Kommunikationshardware als auch die -software sehr einfach und übersichtlich, und die Systemerweiterung wird erheblich vereinfacht. 1.2 Module: Das INFI-90 DCS verfügt über eine relativ geringe Anzahl an Steuermodulen, bietet aber dennoch einen hohen Funktionsumfang. Einige seiner Submodule weisen jedoch eine hohe Ausfallrate auf. Beispielsweise hat das digitale Eingangssubmodul DSI02 im Kraftwerk Mawan eine hohe Ausfallrate. Hauptgrund hierfür sind unzureichende Isolationsmaßnahmen. Im Prozessleitsystem PROCONTROL-P unterscheiden die P14-Module zwar weder zwischen Haupt- und Untermodulen noch zwischen Eingangs- und Ausgangsmodulen und zeichnen sich durch hohe Funktionalität und Vielseitigkeit aus, jedoch handelt es sich dabei um eine Kombination der Systeme P13 und P14. Jedes System verfügt über eine eigene Modulserie, und zwischen den beiden Systemen bestehen zahlreiche Kommunikationsmodule. Insgesamt erscheint die Anzahl der Modultypen daher zahlreich und komplex. Entfernt man die dedizierten Module für die digitale elektrohydraulische Steuerung (DEH) der Turbine und die elektrohydraulische Steuerung (MEH) der dampfbetriebenen Speisewasserpumpenturbine, weist das Prozessleitsystem XDPS-400 deutlich weniger Modultypen auf. Dies ist insbesondere deshalb bemerkenswert, weil das gesamte System nur ein einziges Kommunikationsschnittstellenmodul besitzt, was seinen hohen Integrationsgrad unterstreicht. Durch die geringere Anzahl an Modultypen reduziert sich auch der Bedarf an Ersatzteilen. Da das Prozessleitsystem XDPS-400 Feldgeräte direkt ansteuert, entfallen zudem einige Zwischen- und Erweiterungsrelaisschränke. Dies vereinfacht die Systemstruktur und senkt die Investitionskosten. 1.3 Stromversorgungssystem Das INFI-90 DCS verwendet eine 220-V-Zweiwege-Verteilnetzteilversorgung. Das Schutzsystem arbeitet im Einschaltmodus, wobei die Stromschaltung vom System selbst durchgeführt wird. Aufgrund der erheblichen Wärmeentwicklung der Stromversorgung des Terminalschranks führt ein Ausfall des Lüfters jedoch zum Überhitzungsschutz und zur automatischen Abschaltung der Stromzufuhr zum gesamten Schrank, was den sicheren Betrieb der Anlage gefährden kann. Das Ofensicherheits- und Überwachungssystem (FSSS) von Block 1 im Kraftwerk Mawan erlebte ein ähnliches Problem: Ein Lüfterausfall während des Betriebs führte zu einem Temperaturanstieg im Terminalschrank, löste den Überhitzungsschutz aus und unterbrach die Stromzufuhr zu einem FSSS-Schrank. Das PROCONTROL-P DCS verwendet eine zentrale 48-V-Gleichstrom-Zweiwege-Stromversorgung. Das Schutzsystem arbeitet im Ausschaltmodus. Daher benötigt das PROCONTROL-P DCS nicht nur hochzuverlässige Gleichstromversorgungsschaltungen, sondern auch eine hochwertige Wechselstromversorgung. Obwohl das XDPS-400 DCS ebenfalls eine 220-V-Zweiwege-Stromversorgung nutzt, arbeitet sein FSSS-Schutzsystem mit AC/DC-Einschaltabschaltung und sein Turbinen-Notabschaltsystem (ETS) mit Stromausfallabschaltung. Sein Stromversorgungssystem ist daher recht umfassend. Insgesamt weisen die DCS-Modelle INFI-90, PROCONTROL-P und XDPS-400 einen relativ hohen Leistungsbedarf auf. 2. Softwarevergleich 2.1 Komplexität des Softwaresystems Das INFI-90 DCS verfügt über eine relativ einfache Software- und Systemstruktur, was das Erlernen und Warten erleichtert. Auch die Mensch-Maschine-Schnittstelle ist relativ einfach gestaltet; Konfigurationsänderungen, Downloads und Fehlerdiagnosen können über eine einfache Ingenieur-Workstation (EWS) durchgeführt werden. Allerdings handelt es sich bei der Mensch-Maschine-Schnittstelle nicht um ein offenes System, und die Konfigurationstools sind befehlszeilenbasiert, was die Bedienung nicht intuitiv macht. Das PROCONTROL-P DCS hingegen besitzt eine umfangreiche und komplexe Mensch-Maschine-Schnittstelle. Es umfasst mehrere Server und Benutzerterminals, die jeweils unterschiedliche Betriebssysteme wie Unix und OpenVMS verwenden. Das Ändern, Kompilieren und Herunterladen von Konfigurationen ist zwar relativ intuitiv, aber äußerst umständlich und langsam. Darüber hinaus ist das PROCONTROL-P DCS eine Kombination aus zwei völlig unterschiedlichen Systemen, P13 und P14, mit zwei komplett unterschiedlichen Software- und Konfigurationstools. Obwohl dieses System deutliche Verbesserungen in der Mensch-Maschine-Schnittstelle bietet, erschwert seine Komplexität das Erlernen und Beherrschen. Das XPDS-400 DCS von Xinhua vereint die Vorteile des INFI-90 und des PROCONTROL-P DCS und beseitigt gleichzeitig einige ihrer Nachteile. Es nutzt die aktuell weit verbreitete industrielle Ethernet-Netzwerkarchitektur, PCs als Arbeitsstationen für Ingenieure und Bediener sowie Windows NT als Arbeitsplattform, wodurch das System einfach und übersichtlich ist. Das System zeichnet sich durch einen hohen Grad an Offenheit und eine grafische Konfiguration aus. Konfigurationsdateien müssen nicht manuell kompiliert werden; grafisch vorgenommene Änderungen werden sofort wirksam. Alle Signale sind in Chinesisch beschrieben, was zu einer sehr benutzerfreundlichen Mensch-Maschine-Schnittstelle führt. 2.2 Systemkompatibilität und -flexibilität 2.2.1 Systemkompatibilität Die DCS-Modelle INFI-90 und PROCONTROL-P lassen sich nur schwer mit anderen Systemen verbinden, was hohe Kosten für den Zugriff auf periphere Kraftwerkssysteme verursacht. Insbesondere die Anbindung des Modells PROCONTROL-P ist extrem schwierig und kostspielig, was die Systemflexibilität stark einschränkt. Das Managementinformationssystem (MIS) des Kraftwerks Mawan konnte bisher keine Verbindung herstellen. Das DCS-Modell XDPS-400 bietet eine bessere Kompatibilität. Die Kompatibilität wurde bereits im ursprünglichen Design berücksichtigt, und entsprechende Schnittstellen wurden bereitgestellt, was einen sehr hohen Grad an Datei- und Datenaustausch innerhalb des Systems ermöglicht. 2.2.2 Systemflexibilität Das Hinzufügen oder Ändern von Steuergeräten direkt in den DCS-Modellen INFI-90 und XPDS-400 ist relativ einfach, das Hinzufügen von Geräten im DCS-Modell PROCONTROL-P hingegen ist komplex, weshalb die Systemflexibilität des DCS-Modells PROCONTROL-P gering ist. Alle drei DCS-Typen können Datenberichte erstellen. Die Datenberichte des INFI-90 DCS sind zwar nicht besonders ansprechend, aber dennoch praktisch. Das PROCONTROL-P DCS bietet nur wenige feste Datenberichte und ist daher wenig flexibel. Das XPDS-400 DCS hingegen verwendet Office-Dateiformate und ermöglicht eine größere Vielfalt an flexiblen Datenberichten. Darüber hinaus ist die Signalkorrelation im XPDS-400 DCS sehr hoch. Alle relevanten Informationen zu jedem Signal sind an der Bedienerstation (OPU) oder Ingenieurstation (EWS) leicht zu finden, was die Fehlersuche erheblich beschleunigt. 2.3 Eigenschaften von Funktionsbausteinen Die DCS-Systeme INFI-90, PROCONTROL-P und XPDS-400 verwenden Funktionsbausteine ​​zur Steuerung der Anlagenlogik. Die Funktionen der einzelnen Funktionsbausteine ​​unterscheiden sich jedoch deutlich. Das INFI-90 DCS bietet über 200 Funktionsbausteine ​​– ein relativ umfassendes Angebot –, ist aber nicht intuitiv zu bedienen. Die meisten Funktionsbausteine ​​erfordern eine sorgfältige Konfiguration jedes einzelnen Spezifikationsparameters gemäß dem Funktionsbausteinhandbuch, bevor sie verwendet werden können. Konfigurationsdiagramme lassen sich nur über die Kommandozeile erstellen. Darüber hinaus lassen sich Funktionsblöcke nicht komprimieren. Das PROCONTROL-P DCS bietet in dieser Hinsicht Verbesserungen. Seine Funktionsblöcke sind generell leistungsfähiger und verfügen über viele dedizierte Funktionsblöcke für die Kraftwerksanlagensteuerung, beispielsweise einen speziellen Funktionsblock zur Kompensation und Korrektur des Wasserstands in der Dampftrommel. Allerdings fehlen ihm einige gute Funktionsblöcke, etwa solche, die dem Smith-Prädiktor im INFI-90 DCS ähneln. Dies erschwert eine signifikante Verbesserung der Regelung der Heißdampf- und Zwischenüberhitzungstemperatur. Das XDPS-400 DCS bietet zwar keine große Vielfalt an Funktionsblöcken, diese sind jedoch alle sehr praxisnah. Dank computergrafischer Gestaltung sind Konfigurationsdiagramme sehr einfach und übersichtlich. Die Online-Parameterauswahl für Funktionsblöcke vereinfacht zudem die Fehlersuche in den Konfigurationsdiagrammen erheblich. Erstmals wurden die Signalbeschreibungen und Funktionsblockerklärungen in den Konfigurationsdiagrammen ins Chinesische übersetzt, wodurch Sprachbarrieren deutlich reduziert und die Konfigurationsdiagramme besser an den chinesischen Kontext angepasst werden. Der größte Vorteil besteht darin, dass die Konfigurationssoftware für die Offline-Konfiguration auf jedem beliebigen PC installiert werden kann. Nach der Konfiguration kann eine Simulation durchgeführt und die Korrektheit der Konfiguration offline überprüft werden. Die Online-Konfiguration macht Kompilierung, Querverweise und andere Verfahren überflüssig; Änderungen werden sofort wirksam. 3. Vergleich der Verteilung: Das P13-System in den DCS-Modellen XDPS-40, INFI-90 und PROCONTROL-P ist ein typisches Master-Slave-Modul-Steuerungssystem. Es weist einen hohen Zentralisierungsgrad auf; alle Steuerungsstrategien sind im Mastermodul konzentriert. Alle Submodule müssen vom Mastermodul gesteuert werden, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Fällt das Mastermodul aus, verlieren alle von ihm gesteuerten Geräte die Kontrolle. Das P14-System im DCS vom Typ PROCONTROL-P ist ein typisches verteiltes Steuerungssystem. Die Module in diesem System unterscheiden sich nicht in Master-/Slave-Rollen; alle werden gleich behandelt. Aufgrund des hohen Dezentralisierungsgrades hat der Ausfall eines Funktionsmoduls relativ geringe Auswirkungen auf das System. Die Treiberschnittstelle der Funktionsmodule verwendet Standardverbindungen mit den gesteuerten Geräten, was die Fehlerbehandlung und Problemlösung komfortabel und schnell macht. 4. Zuverlässigkeitsvergleich: Das XDPS-400 DCS verfügt über eine doppelte Datenverarbeitungseinheit und eine doppelte Netzwerkredundanz. Die Netzwerkknoten sind über Switches verbunden, die wiederum über Glasfaserkabel miteinander vernetzt sind. Dadurch beeinträchtigt eine Kommunikationsunterbrechung an einem Knoten den normalen Betrieb der anderen Knoten nicht, was die Systemzuverlässigkeit erhöht. Obwohl die DCS-Typen INFI-90 und PROCONTROL-P ebenfalls eine redundante Doppelringstruktur verwenden, nutzen sie Koaxialkabel als Kommunikationsmedium. Eine Kommunikationsunterbrechung an einem einzelnen Knoten beeinträchtigt daher die Kommunikation des gesamten Netzwerks. Aus Sicht der Netzwerkstruktur bietet das XDPS-400 DCS somit eine höhere Zuverlässigkeit. Im Hinblick auf Kessel- und Turbinenschutzsysteme gewährleistet das PROCONTROL-P DCS von ABB durch die Verwendung einer 3-aus-2-Logik in Hardware und Software eine hohe Zuverlässigkeit seiner FSSS- und ETS-Systeme. Das ETS des XDPS-400 DCS weist jedoch in folgenden Punkten Verbesserungsbedarf auf: a) Das ETS verwendet eine einfache „2-ODER-2-UND“-Logik. Das bedeutet, dass alle Turbinenschutzsignale in zwei separate Schutzkanäle geleitet werden. Sobald ein Schutzsignal in einem dieser Kanäle aktiviert wird, schaltet die Turbine ab, unabhängig von der Korrelation der beiden Signale. Beispielsweise aktiviert ein „Niedriges Vakuum“-Signal im ersten Kanal den Schutz. Trifft nun ein beliebiges Turbinenschutzsignal, wie beispielsweise ein „Niedriger Schmieröldruck“-Signal, im zweiten Kanal ein (nicht notwendigerweise das „Niedriges Vakuum“-Signal), aktiviert es ebenfalls den Schutz im zweiten Kanal. Dies führt zur Aktivierung des ETS und zur Abschaltung der Turbine. b) Im herkömmlichen ETS-Modus verfügt dasselbe Schutzsignal über vier Schalter: Zwei werden in Schutzkanal 1 und die anderen beiden in Schutzkanal 2 geleitet. Am Beispiel des „Vakuum-niedrig“-Signals lässt sich zeigen, dass die ETS nur dann aktiviert wird, wenn gleichzeitig einer der beiden „Vakuum-niedrig“-Schalter im ersten Kanal und einer der beiden „Vakuum-niedrig“-Schalter im zweiten Kanal aktiviert wird. Dies verhindert sowohl Fehlaktivierungen als auch Nichtaktivierungen. Die ETS des XPDS-400 DCS von Xinhua berücksichtigt jedoch nicht, ob die beiden Signale vom gleichen Typ sind; sie löst aus, sobald zwei Schutzsignale empfangen werden, was die Fehlaktivierungsrate der ETS erhöhen kann. c) Die Architektur von DEH/MEH und ETS weicht von anderen DCS-Systemen ab, und die mangelnde Offenheit des Systems erschwert dessen Modifizierung für die Anwender. 5. Vergleich des Integrationsgrades: Das INFI-90 DCS ermöglicht die integrierte Steuerung des Datenerfassungssystems (DAS), des sequenziellen Steuerungssystems (SCS), des Kesselverbrennungsmanagementsystems (BMS), des koordinierten Steuerungssystems (CCS) und der DEH/MEH-Systeme. Obwohl das PROCONTROL-P DCS dieselbe Steuerungsfunktion bietet, wird diese intern durch zwei Systeme, P13 und P14, realisiert. Das XDPS-400 DCS zeichnet sich durch einen vergleichsweise hohen Integrationsgrad aus. Neben der Steuerung der bereits erwähnten Systeme regelt es auch das elektrische Steuerungssystem (ECS), das Meerwasser-Kühlwassersystem, die Meerwasserentschwefelungsanlage sowie die Hoch- und Niederdruck-Bypass-Systeme. Die Funktion zur Aufzeichnung von Sequenzereignissen (SOE) ist ebenfalls in das DCS integriert, wodurch ein separates SOE-System entfällt. Über die Kommunikationsschnittstelle kann es die meisten speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) im gesamten Werk überwachen und steuern, beispielsweise die Rußblasanlage, das elektrische Erregersystem, das Vierrohr-Leckagesystem des Ofens und den Luftkompressor. Dank dieser erhöhten Integration benötigen die Thermoingenieure nur noch eine einzige Mensch-Maschine-Schnittstelle, was ihren Arbeitsaufwand deutlich reduziert. 6. Betriebsstatus des XDPS-400 DCS: Nach fast sechs Monaten Betrieb seit Inbetriebnahme von Block 5 im Kraftwerk Mawan hat sich das DCS als sehr stabil erwiesen, ohne dass es zu systembedingten Ausfällen kam. Auch die Systemmodule arbeiten relativ stabil; seit der Übergabe an die Produktion im November 2002 wurden lediglich ein digitales Eingangsmodul und eine LPC-Karte des Turbinenschutzmoduls ausgetauscht. Da die Betriebsüberwachungsbildschirme ausschließlich in Chinesisch sind, können sich die Bediener in der Regel schnell mit den Systemfunktionen vertraut machen. 7. Fazit: Insgesamt bietet das XDPS-400 DCS von Xinhua in vielerlei Hinsicht Vorteile, insbesondere hinsichtlich der Mensch-Maschine-Schnittstelle. Diese ist einfach, praktisch, flexibel, zuverlässig, intuitiv, leicht zu erlernen und zu verstehen sowie hochgradig integriert. Im Hinblick auf die Systemdokumentation besteht jedoch Verbesserungspotenzial, beispielsweise durch die Zusammenarbeit mit ausländischen Unternehmen. Des Weiteren sollte der Designstil verschiedener Systeme (wie DEH/MEH, ETS, ECS usw.) so einheitlich wie möglich gestaltet und die Signalerweiterungsfähigkeit sowie die Flexibilität der Schutzmechanismen von ETS verbessert werden. Das PROCONTROL-P DCS ist aufgrund seiner komplexen Systemstruktur und mangelnden Integration schwer zu beherrschen und wird vom Markt verdrängt; es gilt als veraltet. Mit der Weiterentwicklung der Elektronik sollte die Mensch-Maschine-Schnittstelle des INFI-90 DCS verbessert und die Systemoffenheit erhöht werden, jedoch sind die Ersatzteile zu teuer und die Bestellzyklen zu lang. Manche argumentieren, dass DCS aus verschiedenen Epochen aufgrund der kontinuierlichen Entwicklung der Informationstechnologie (IT) nicht vergleichbar seien. Der Autor ist jedoch der Ansicht, dass lediglich die Systemsoftware und -hardware der Mensch-Maschine-Schnittstelle nicht vergleichbar sind. Viele Aspekte, wie die Systemdesignphilosophie, die Netzwerkstruktur, die Modulfunktionen, das Gesamtdesign des Stromversorgungssystems, das Design der Systemzuverlässigkeit und das integrierte Design, sind durchaus vergleichbar. Man kann nicht einfach sagen, dass ein später implementiertes DCS zwangsläufig besser ist als ein früheres. Am Beispiel der DCS des Kraftwerks Mawan (Phase II und Phase I) zeigt sich, dass das PROCONTROL-P-System der Phase II dem INFI-90-System der Phase I in vielerlei Hinsicht unterlegen ist.