Zusammenfassung: Dieser Artikel befasst sich mit der Anwendung von verteilten Steuerungssystemen (DCS) in Müllverbrennungsanlagen und beschreibt detailliert die Designkonzepte der wichtigsten Steuerungsfunktionen. Schlüsselwörter: Müllverbrennung, verteiltes Steuerungssystem (DCS), Ingenieurstation, Bedienerstation, Ethernet. 1. Einleitung: Die Müllverbrennung ist in China ein aufstrebender Wirtschaftszweig, der mit der Stadtentwicklung zunehmend an Bedeutung gewinnt. Derzeit basieren die meisten Verbrennungstechnologien auf europäischen Technologien. Anfang der 1970er Jahre wurde die Müllverbrennungstechnologie kontinuierlich verbessert und in Richtung großtechnischer und vollautomatisierter Anlagen weiterentwickelt, was zur Entstehung von Großanlagen mit einer täglichen Verbrennungskapazität von über 1000 Tonnen führte. Mit dem zunehmenden Umfang der Verbrennung wurde auch die Nutzung der Abwärme zur Stromerzeugung entwickelt. Das Müllverbrennungsprojekt in Xiamen nutzt die Technologie der querversetzten, beweglichen Roste der Schweizer Firma VonRoll und hat eine tägliche Abfallverarbeitungskapazität von 400 Tonnen. Die Anlage verfügt über zwei Verbrennungsanlagen und ist mit 6-MW-Reindampfturbinengeneratoren ausgestattet. Entsprechend den Prozessmerkmalen der Müllverbrennungsanlage besteht die Systemsteuerung im Wesentlichen aus einem Prozessleitsystem (DCS), einem Verbrennungsleitsystem (SIGMA), einem Anfahr- und Hilfsbrennersystem, einem kontinuierlichen Abgasmess- und -überwachungssystem, einem Turbinenleitsystem (DEH), einem Notabschaltsystem (EST), einem Turbinensicherheitsüberwachungssystem (TSl), Hilfswerkstatt-Steuerungssystemen (z. B. für die chemische Wasser- und Abwasseraufbereitung, die Abfallgreifersteuerung und die Ascheentsorgung) sowie Mittel- und Niederspannungs- und Videoüberwachungssystemen. 2. Konfiguration des Verbrennungskraftwerks 2.1 DCS-Zusammensetzung Das Steuerungssystem der Müllverbrennungsanlage Xiamen ist mit einem zentralen Prozessleitsystem (DCS) ausgestattet, das den zentralen Betrieb mit der dezentralen Steuerung der einzelnen Anlagenteile kombiniert. Das System basiert auf dem neuen Siemens SIMATIC PCS7-Steuerungssystem. Die gesamte Systemsteuerung besteht aus einer Engineering-Station, fünf Bedienerstationen, einer Datenarchivstation und fünf Prozessverarbeitungszentren. Die Kommunikation des Steuerungssystems erfolgt über modernes Hochgeschwindigkeits-Ethernet (10/100 LAN) und redundante Kommunikationsausrüstung. Die Gesamtanzahl der Ein-/Ausgabepunkte umfasst unabhängige Steuerungen für zwei Produktionsverbrennungslinien, den Dampfturbinengenerator, das Mittel- und Niederspannungsnetz sowie das Versorgungssystem. Jede Verbrennungslinie ist mit sieben Remote-E/A-Stationen (Ein-/Ausgabe), einer Remote-E/A-Station für den Dampfturbinengenerator und einer Remote-E/A-Station zur Steuerung des Versorgungssystems ausgestattet. Signale des Mittel- und Niederspannungsnetzes werden separat verarbeitet. Das System ermöglicht die Überwachung des Produktionsprozesses, den Betrieb, die Prozesssteuerung, Ereignisalarme, die Betriebsverriegelung und den Sicherheitsschutz und erfüllt Systemfunktionen wie Datenerfassung (DAS), analoge Steuerung (MCS), sequentielle Steuerung (SCS) und Verriegelungsschutz (PRO). 2.2 DCS-E/A-Punkte: Das System verfügt über insgesamt 2303 geplante E/A-Punkte, die tatsächliche Systemkapazität beträgt 3100 Punkte. Die Verteilung der E/A-Punkte ist wie folgt: 3. DCS-Steuerungsfunktionen 3.1 Datenerfassung und -verarbeitung an der Bedienerstation: Zeitnahe Erfassung von Eingangs- und Ausgangssignalen (einschließlich digitaler, analoger und Impulssignale) während des gesamten Produktionsprozesses. Nach der Filterung erfolgt die Erkennung von Störungen, Fehlern, Statussignalen und Änderungen analoger Signalparameter. Die Datenbank wird in Echtzeit aktualisiert, um dem Überwachungssystem Betriebsdaten bereitzustellen. Automatische Geräteaktionen werden sequenziell protokolliert. Analoge Größen werden mit oberen, unteren und unteren Grenzwerten versehen. Ein Alarm wird ausgelöst, wenn der Messwert den Grenzwert überschreitet. Tritt ein Ereignis auf, werden entsprechende Ereignisaufzeichnungen erstellt, die die Werte der analogen Größen für einen Zeitraum vor und nach dem Ereignis ausgeben. Die Messpunkte und der Zeitraum der Aufzeichnungsdaten können definiert werden. Steuerungsbetrieb: Bildschirm- und Prozessanzeige, Reglereinstellungen, Trendanzeige, hierarchisches Alarmmanagement mit Echtzeit- und Verlaufsanzeige, Berichtsverwaltung und -druck, Betriebsprotokolle, Betriebsstatusanzeige, Online-Parameterkonfiguration, Zugriffsschutz usw. Die Steuerung verfügt über eine Sicherheitsverriegelungsfunktion. Ereignisalarm: Alarme werden ausgelöst, wenn ein Ereignis im System auftritt oder Betriebsgeräte Fehlfunktionen aufweisen. System-Selbstdiagnose: Das Überwachungssystem verfügt über eine Online-Selbstdiagnosefunktion. Es kann Fehler in Kommunikationskanälen, E/A-Modulen usw. diagnostizieren, Alarme ausgeben und diese in der System-Selbstdiagnosetabelle protokollieren. Systemwartung: Das System verfügt über ein Online-Software-Selbstüberwachungssystem. Das Steuerungssystem verwendet die international gängige Host-Computer-Überwachungsmethode. Betrieb und Überwachung des gesamten Steuerungssystems erfolgen über den Host-Computer. Dieser kann nicht nur den Betriebsstatus, Prozessparameter, Alarme usw. der Systemgeräte anzeigen, sondern auch den Strom- und Kommunikationsstatus von SPS, Busmodulen usw. sowie den Fehlerstatus wichtiger E/A-Signale zur Erleichterung der Fehlersuche. Es kann außerdem verschiedene Betriebsmodi auswählen und zwischen ihnen umschalten, automatische Programmsteuerungsvorgänge durchführen und verfügt über Funktionen wie die Anzeige analoger Parameter, Balkendiagramme, akustische und optische Alarme sowie den Tabellendruck. 3.2 Engineering-Station Eine Desktop-Engineering-Station dient der Programmentwicklung, Systemdiagnose, Steuerungssystemkonfiguration sowie der Bearbeitung und Änderung von Datenbanken und Bildschirmdarstellungen. Die Engineering-Station kann jede definierte Systemanzeige aufrufen. Alle auf der Engineering-Station erstellten Anzeigen und Trenddiagramme können über die Datenschnittstelle an die Bedienerstation übertragen werden. Die Engineering-Station kann über die Datenschnittstelle auf Systemkonfigurationsinformationen und zugehörige Daten von jeder verteilten Verarbeitungseinheit innerhalb des Systems zugreifen und Konfigurationsdaten von der Engineering-Station an jede verteilte Verarbeitungseinheit und die Bedienerstation herunterladen. Darüber hinaus kann das System seinen Speicher nach Bestätigung der neu konfigurierten Daten automatisch aktualisieren. Die Engineering-Station umfasst einen Stationsprozessor, einen Grafikprozessor sowie den Hauptspeicher und externe Speichermedien, die für alle Datenbanken, verschiedenen Anzeigen und Systemprogramme innerhalb des Systems erforderlich sind. Sie bietet außerdem einen historischen Trendpuffer für die Anzeige von Systemtrends. Die Engineering-Station ist per Software passwortgeschützt, um unbefugte Änderungen an Steuerungsstrategien, Anwendungsprogrammen und Systemdatenbanken durch nicht autorisiertes Personal zu verhindern. Die Engineering-Station dient gleichzeitig als historische Datenstation. Sie unterstützt Zusatzgeräte wie optische Brenner und kann Leistungsberechnungen sowie Dateiübertragungen durchführen. 3.3 Ethernet-System Das Systemnetzwerk ist in ein unteres Steuerungsnetzwerk und ein oberes Managementnetzwerk unterteilt. Das untere Steuerungsnetzwerk verwendet geschirmte Koaxialkabel gemäß dem europäischen Profibus-Standard. Es ist über die Kommunikationskarte IM153-1 auf jedem ET200M mit dem AS417-2DP-Controller verbunden und erfüllt somit die Anforderungen an die Feldsignalerfassung, -verarbeitung und redundante Kommunikation mit dem Controller. Es dient als Profibus-DP-Feldkommunikationsnetzwerk. Das obere Managementnetzwerk verwendet ebenfalls Koaxialkabel gemäß dem europäischen Profibus-Standard. Es ist mit der OS-Station, der ES-Station und der Kommunikationskarte CP443-5 auf dem Controller verbunden und ermöglicht die Überwachung, Steuerung und Verwaltung der Feldgeräte durch Bediener- und Engineering-Stationen sowie den Datenaustausch. Ein anderer Typ verwendet dünnes Koaxialkabel und ein Management-Ethernet-Netzwerk, das dem TCP/IP-Protokoll entspricht und über D-LINK-Netzwerkkarten an der OS- und ES-Station angeschlossen ist. Dies dient primär der Dateiverwaltung zwischen den Netzwerken der Techniker und der Anlagenleitung. 3.4 Prozessleitsystem Das gewählte Prozessleitsystem ist das Modell AS417-4-2H. Die Bedienerstation ist über CP1613 mit dem redundanten Softwarepaket verbunden, wodurch die fehlertolerante Kommunikation im Fehlerfall automatisch fortgesetzt wird. Das Netzteil ist mit einem Überspannungsschutz ausgestattet. Das SPS-System kann auch in Umgebungen mit hohem elektrischem Rauschen, Funkstörungen und Vibrationen kontinuierlich und zuverlässig arbeiten. Die gesamte Hardware des SPS-Systems kann in einem Umgebungstemperaturbereich von -10 bis 50 °C und einem relativen Feuchtigkeitsbereich von 5 bis 95 % kontinuierlich und zuverlässig betrieben werden. Die Zentraleinheit (CPU) verfügt über ausreichend Speicherkapazität. Ein Stromausfall der CPU führt nicht zu Programm- oder Datenverlust. Prozesssteuerung, Überwachung und die notwendigen Fehlerdiagnosefunktionen sind in der SPS implementiert. Diese Funktionen umfassen mindestens: Echtzeituhr und Kalender, Relais und bistabile Relais, transiente Kontakte, Timer, Zähler, arithmetische Operationen, Logikfunktionen, Schieberegister usw. 3.5 Systemsteuerungssoftware: Sowohl die Bedienerstation als auch die Ingenieurstation verwenden Microsoft Windows NT Workstation V4.0 als Betriebssystem, ergänzt durch die Installationspakete 3 und Internet Explorer 4.0. Die Verarbeitung chinesischer Zeichen erfolgt mit ChineseStar für Windows NT V2.0, sodass alle Informationen und Schnittstellen außer der Ingenieurkonfiguration in Chinesisch lokalisiert sind. Auf der Bedienerstation ist außerdem Überwachungssoftware wie SIMATIC WINCC RT 64K Tags, NET Profibus-S7, WINCC ADVANCED PROCESS CTRL und WINCC BASIC PROCESS CTRL installiert. Basierend auf der auf der Bedienerstation installierten Software installiert die Ingenieurstation Konfigurationssoftware wie SIMATIC STEP7 BASIS V4.0, CFC V4.0, S7-SCL V4.0 und SFC V4.X. Neben der Verwendung für die Systemsoftware- und Hardwarekonfiguration verfügt die ES-Station über dieselben Funktionen wie die OS-Station und kann auch als solche fungieren, wodurch die Benutzerkosten gesenkt werden. 4. Fazit: Die Stromerzeugung aus Müllverbrennung kann das Problem der Abfallverschmutzung effektiv lösen und Energierückgewinnung ermöglichen. Dieses Systemdesign erfüllt die Anforderungen der Stromerzeugung aus Müllverbrennung vollständig, und das zuverlässige und effiziente automatisierte Steuerungssystem gewährleistet den sicheren und stabilen Betrieb der Müllverbrennungsanlage. Referenzen: 1. Siemens SIMATIC PCS7 Prozessleitsystem-Handbuch 2000. Autor: Yang Yili, männlich, geboren 1970, Ingenieur, langjährige Erfahrung in der Entwicklung, Konstruktion und Anwendung von industriellen Automatisierungsanlagen. Arbeitseinheit: Umweltsanierungs- und Kläranlage Xiamen Tel.: 0592-5256116, 13003918428 Adresse: Einheit 210, Nr. 67, Jinminli, Jinshang Community, Xiamen, Provinz Fujian, 361009, China E-Mail: [email protected]