19. NOVEMBER 2017

zurück

kommentieren drucken  

»Hot Standby« im E-Management


Steuerungen - Die Automatisierungstechnik dringt mittlerweile in Bereiche vor, die nicht unbedingt zu den klassischen Anwendungen zählen. Ein Gebiet, auf dem dies immer öfter geschieht, ist die Energieverteilung.

Die Ansprüche, die heute an die Funktionalität eines Energie-Management-Systems gestellt werden, sind vielfältig: Neben dem Bedienen und Beobachten werden zunehmend auch Funktionen wie Datenauswertung und Fehleranalyse, Trending und Dokumentation von Energiedaten und Fehlerhistorien verlangt. Zudem sollen spezifische Funktionen aus dem Bereich Energiemanagement automatisiert werden, also etwa Lastabschaltung und Umschaltung auf Notstromversorgung, damit kritische Prozesse bei Netzausfällen stoßfrei weiter mit Energie versorgt werden. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an ein Energiemanagement-System:
- Erwartet wird eine hohe Verfügbarkeit, damit auch kritische Prozesse zuverlässig mit Energie versorgt werden können.
- Alle Komponenten, vor allem auch die nicht redundant ausgelegten, müssen sich im laufenden Betrieb austauschen lassen. Der »Hot Swap« einzelner Baugruppen spielt deswegen eine wichtige Rolle.
- Das System muss hochgradig wartungsfreundlich sein und
- die Kommunikation von der Leitebene bis hinunter zur Feldebene durchgängig erfolgen. Außerdem müssen oft räumlich weit verteilte Komponenten für die Energieverteilung problemlos in das System einzubinden sein, um beispielsweise die Hoch-, Mittel- und Niederspannungsebene nahtlos in das System zu integrieren.
- Das System muss modular sein. Es soll auf vorhandenen Strukturen aufsetzen und vorhandene Geräte einbinden können. Nachträgliche Erweiterungen müssen problemlos realisierbar sein. Zur Umsetzung der Kundenanforderungen ist eine Objektorientierung des System von Vorteil - die Projektierung des Gesamtsystems wird durch vorgefertigte Bausteine erheblich einfacher.
- Die weltweite Verfügbarkeit sämtlicher Komponenten muss gewährleistet sein - schließlich werden viele der in Deutschland gebauten Anlagen und Systeme exportiert.
Für die Realisierung eines solchen Energiemanagement-Systems bieten sich Automatisierungssysteme an, welche die geforderte Flexibilität und bei Einsatz der richtigen Automatisierungsplattform auch die notwendige Verfügbarkeit sicherstellen.
Mit dem Electrical Monitoring and Control System (EMCS) hat Schneider Electric, Ratingen, eine Plattform geschaffen, mit der sich eine breite Palette von Systemen für das Energiemanagement realisieren lässt. Den Kern bildet eine SPS: die Telemecanique Modicon Quantum, mit der Datenakquisition und Steuerungsaufgaben realisiert werden. Bei Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Verfügbarkeit wird die Steuerung in der Hot Standby-Version eingesetzt.
Das Visualisierungssystem Monitor Pro ist auf der Leitebene angesiedelt. Es kann bei Bedarf ebenfalls als redundantes Client/Server-System ausgeführt werden. Ethernet von der Leitebene bis ins Feld erfüllt alle Anforderungen in Bezug auf Durchgängigkeit und Kommunikation zwischen räumlich verteilten Komponenten.
Die im westfälischen Telgte ansässige Isis Ingenieurgesellschaft hat ein Energiemanagement-System auf Basis des EMCS realisiert, das die Energieversorgung eines Werkes für die PVC-Produktion überwacht, steuert und sichert.
Von der Einspeisung mit 110 kV, den beiden Mittelspannungsebenen mit 33 kV und 6 kV bis hinunter zur Niederspannungsverteilung deckt dieses System alle Aspekte der Energieversorgung ab. Die Notversorgung über zwei Diesel-Generatoren inklusive der automatischen Umschaltung ist ebenfalls integriert. Zusätzlich werden die an den Schornsteinen montierten Warnlichter für den Luftverkehr mit dem System gesteuert und überwacht.
Das System ist weitgehend redundant ausgelegt:
- Auf der Leitebene bilden zwei Monitor Pro-Server die Basis für Visualisierung, Datenspeicherung und -analyse. Für die Überwachung der Energieversorgung greifen die Clients auf das redundante Server-System zu.
- Das Steuerungssystem zur Realisierung von Automatikfunktionen, Verriegelungen und Datenakquisition ist ebenfalls redundant ausgeführt. Hier kommt die SMS in der Hot-Standby-Version zum Einsatz.
- Auf der Feldebene sind verschiedene Geräte im Einsatz: Mess- und Überwachungsgeräte für die Niederspannungsebene (PM 800 von Schneider Electric) liefern sämtliche Daten wie Spannungen, Ströme, Phasenwinkel sowie Status- und Fehlermeldungen. Bei Mittel- und Hochspannung kommen Schutzrelais zur Anwendung und zusätzlich dezentrale E/A-Inseln, die für den jeweiligen Anwendungsfall mit digitalen oder analogen Ein-/Ausgängen bestückt sind.
- Für die durchgängige Kommunikation von der Leitebene bis ins Feld sorgt ein Ethernet-Netzwerk, an das sämtliche Messgeräte und die dezentralen E/A-Inseln angeschlossen sind. Das Netzwerk ist wegen der hohen Verfügbarkeits-Anforderungen weitgehend mit Lichtwellenleitern realisiert. Es kommen drei optische Ringe zum Einsatz, von denen einer doppelt ausgeführt ist. Als Kommunikations-Protokoll wird durchgängig Modbus verwendet. Damit lassen sich bei Bedarf auch Feldgeräte von Drittanbietern in das System integrieren, entweder direkt ans Ethernet angeschlossen oder über Gateways, die Modbus/TCP auf Modbus seriell umsetzen.
Die Telemecanique Modicon Quantum, die in der von Isis realisierten Anwendung als Hot Standby-System aufgebaut ist, wird mit dem Standard-Projektierungswerkzeug »Unity Pro« programmiert, das auch zur Programmierung »normaler« SPS-Applikationen verwendet wird. Bei diesem System ist die CPU-Ebene redundant ausgeführt. Beim Ausfall des aktiven SPS-Prozessors übernimmt die Standby-CPU sofort die Führung des Prozesses. Die Umschaltung zwischen den beiden Prozessoren nimmt nur wenige Millisekunden in Anspruch und berührt den Prozess in keiner Weise.
Voraussetzung hierfür ist der ständige Abgleich der Daten zwischen dem aktiven Prozessor und der Reserve-CPU. Dieser Datenaustausch geschieht bei der Hot Standby-Quantum über eine dezidierte Ethernet-Kopplung zwischen den beiden SPS-Prozessoren mit 100 Mbit/s über Lichtwellenleiter. Die erforderliche Schnittstelle ist direkt in die Prozessoren integriert und wird ausschließlich für den Datenabgleich genutzt. Sämtliche Daten werden in jedem SPS-Zyklus vollständig übertragen. Die beiden SPS-Systeme können dabei bis zu zwei Kilometer voneinander entfernt sein. Das Quantum Hot Standby-System bietet gegenüber anderen Lösungen eine Reihe von Vorteilen:
- Die Anwendung wird mit dem Standard-Projektierungswerkzeug erstellt. Spezielle Software ist deshalb nicht erforderlich.
- Mit Ausnahme der speziellen Hot Standby-CPUs werden generell Standard-SPS-Baugruppen verwendet.
- Redundant ausgeführt werden die »kritischen« Komponenten, also SPS-Prozessoren, und Kommunikationsbaugruppen sowie die Stromversorgungsbaugruppen.
- Optional können Kommunikationskabel für Modbus Plus und Ethernet sowie für die Ankopplung von E/A-Erweiterungen ebenfalls redundant ausgelegt werden.
- sämtliche Komponenten, beispielsweise E/A-Baugruppen, mit geringer Ausfallrate, werden einfach ausgeführt. Dadurch ergibt sich ein Kostenvorteil, da gerade diese einen erheblichen Anteil am Gesamtpreis eines Systems haben.
Neben dem »klassischen« Aufbau der E/A-Ebene, also der Ankopplung von E/A-Erweiterungen in zusätzlichen Baugruppen-Trägern, lässt sich mit diesem System eine Architektur realisieren, die durchgängig auf Ethernet basiert - interessant nicht nur für Infrastruktur-Anwendungen. Die dafür erforderlichen Ethernet-Schnittstellen sind standardmäßig auf den Prozessoren integriert.
Soll die Ethernet-E/A-Ebene von der Anlagen-Vernetzung oder der Anbindung an die IT-Ebene entkoppelt werden, lassen sich zusätzliche Ethernet-Module einsetzten, die dann auch noch einen Zugriff auf Prozess- und Anlagendaten über integrierte Web-Server bieten.
Bei Programmänderungen und erweiterungen zeigt sich das Telemecanique Modicon-System äußerst flexibel: Im laufenden Betrieb können in die Reserve-SPS ein geändertes Programm eingespielt und nach der stoßfreien manuellen Umschaltung auf diese CPU die Änderungen getestet werden. Danach gibt es zwei Möglichkeiten: Durch eine weitere Umschaltung kann der Anwender wieder auf die ursprüngliche Anwendung zurückgehen oder er überträgt das neue Programm auch in die zweite CPU und setzt damit den Hot Standby-Betrieb mit dem geänderten Programm fort.
Dipl.-Ing. Frank Ogrissek, Schneider Electric (KdNr. 11037),
Dipl.-Ing. Rainer Hellermann, Isis Ingenieurgesellschaft


FAKTEN
Das von Isis realisierte System umfasst etwa 2.000 Datenpunkte. Sämtliche Komponenten sind am Ethernet angeschlossen:
- das redundante Monitor Pro-Leitsystem,
- das redundante SPS-System Telemecanique Modicon Quantum,
- 98 Mittelspannungs-Schutzrelais,
- 15 Modbus TCP/Modbus Gateways für den Anschluss von 31 Mess- und Überwachungsgeräten auf der Niederspannungsebene,
- 20 dezentrale E/A-Inseln vom Typ Telemecanique Advantys STB.
- Das System umfasst insgesamt 141 Ethernet-Knoten, 133 davon werden als Ethernet-E/A von der SPS verwaltet. Sie sind auf zwei optische Ringe aufgeteilt.

Sonderausgabe:
DIGEST 2006
Unternehmen:
Bilder:

kommentieren drucken  


ANZEIGE

 

Diese Artikel könnten Sie ebenfalls interessieren...

Motion Control mit System

Motion Control mit System

ANTRIEBSSTEUERUNGEN - Mit dem Trend der Modularisierung und Dezentralisierung im Maschinenbau steigt der Bedarf an fein skalierbarer Steuerungs- und Antriebstechnik. Simotion ist ein System, das sowohl Einzelmaschinen als auch modulare Maschinenkonzepte unterstützt und sich im gesamten Engineeringprozeß einfach handhaben läßt. » weiterlesen
Steuern und visualisieren

Steuern und visualisieren

Steuerung – Eine Komplettlösung aus Steuerung und Visualisierung mit integrierten I/O-Schnittstellen hat der österreichische Automatisierungstechnikspezialist Bernecker + Rainer vorgestellt. » weiterlesen
Getriebe und Motoren aus einer Hand

Getriebe und Motoren aus einer Hand

Kooperation – Der österreichische Automatisierungstechnikhersteller Bernecker + Rainer und der Getriebespezialist Neugart aus Kippenheim in Baden haben ein weltweites Kooperationsabkommen geschlossen. » weiterlesen
Löten lernen leichtgemacht

Löten lernen leichtgemacht

Dienstleistung – Fortbildung für alle verspricht der Bedienelementespezialist Rafi aus Berg bei Ravensburg: » weiterlesen
Gemeinsam für ganz Europa

Gemeinsam für ganz Europa

Umstrukturierung – Die Panasonic Electric Works Europe AG hat ihre deutsche Vertriebsgesellschaft in den bestehenden europäischen Verwaltungs- und Entwicklungsbereich des japanischen Großkonzerns integriert. » weiterlesen
 
» Finden Sie weitere Artikel im :K-Artikelarchiv

  Jetzt Newsletter
abonnieren!


Aktuelle Ausgaben