WO1993008516A1 - Automatische steuerung für eine kraftwerksanlage - Google Patents

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WO1993008516A1 PCT/DE1992/000838 DE9200838W WO9308516A1 WO 1993008516 A1 WO1993008516 A1 WO 1993008516A1 DE 9200838 W DE9200838 W DE 9200838W WO 9308516 A1 WO9308516 A1 WO 9308516A1
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Fritz LÖFFEL
Claudius Arnoldt
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
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    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B2219/20—Pc systems
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    • G05B2219/25368—Start group of motors, machines in sequence, power up, down sequence

Definitions

  • the invention relates to an automatic control for a power plant with several, interacting plant parts. with different in the plant parts Community • sa s automation system functions aus ⁇ practicing automation devices, wherein the Automatisie ⁇ approximately devices together and are connected to a host unit via a data bus which transmits plant-relevant data of the.
  • the automation system comprises a number of automation devices which communicate with one another and with a control unit via a common data bus.
  • the automation devices can be constructed from both freely programmable and memory-programmed processors and each control and monitor several component groups or subsystems of the individual system parts.
  • the invention is therefore based on the object of specifying an automatic control for a power plant, which is largely simplified and in all operating phases, that is to say when starting up and shutting down the system, and in the event of an irregularity or disruption of the process sequence, reliable guidance and Monitoring of the system guaranteed without overloading the operating personnel.
  • each functional unit corresponding to a functional chain that comprises several sub-functions, and each sub-function comprises multiple subsystems with controllable system components.
  • the various functional units, functionally implemented by the function chains, are media and energy transport processes taking place within logical process sections between process-technical breakpoints or conversion points.
  • the function chains are expediently linked in a predetermined sequence during the start-up process and the shutdown process of the system.
  • the automation devices of the various function chains communicate with one another, so that in terms of process technology, the individual functional units are only activated when the superordinate units are made available. In the meantime - while the system is operating - the function chains can be controlled individually.
  • the function chains are advantageously linked to one another and to the data bus via data lines with coupling elements acting in a data-selective manner.
  • data relevant only for a functional unit are advantageously transmitted.
  • the subfunctions within a function chain are linked via a common data line.
  • the overall process of the system can advantageously be controlled by only six function chains.
  • These six function chains are hierarchically organized according to the logical process flow of the system in the following order: supply, disposal, transport of process waste heat and return transport of condensate, transport of process heat, conversion of primary energy into thermal energy, and conversion of thermal energy into electrical energy Energy.
  • the advantages achieved by the invention are, in particular, that by dividing the overall process of a power plant into only a few logical process sections, each of which represents a functional unit, and by structuring the required functions accordingly a high degree of automation is achieved in function chains with an extremely high information compression on only a few status messages to be observed. As a result, the entire process of a power plant can be controlled and monitored by only one person in each operating phase.
  • Figure 1 shows the automation structure of a power plant with multiple function chains
  • FIG. 1 shows a number of function chains 1 to n, which are connected to one another via a common data bus 5 and to a control unit 16 or a block controller assigned to the control unit 16, if the power plant has several blocks.
  • the individual function chains 1 to n comprise a plurality of subfunctions 7, which are performed by, for example, two automation devices 8.
  • Each subfunction 7 are subsystems 9 of individual system parts, e.g. assigned to a boiler, a turbine group or a condenser.
  • a subsystem 9 here is a liquid container 10, to which a line 11 with a pump 12 and a valve 13 is connected. Liquid can be supplied to the container 10 via a line 14 with a valve 15.
  • the subfunction 7 in this subsystem 9 comprises the automatic control of the valves 13 and 15 and the pump 12, symbolized by the control signals a, b and c, of parameters f and p to be controlled and monitored in part in cooperation, which here are the fill level of the container 10 or the pressure in the line 11.
  • the subfunctions 7 of the function chain 1 are linked to one another via a data line or a data bus 20 through interfaces 21.
  • data relevant only for an associated functional unit are preferably transmitted.
  • the functional units represented by the function chains 1 to n
  • the functional units are successively activated and kept in operation by a control command.
  • the automation devices 8 assigned to the function chains 1 to n are coupled to one another and via data lines 25 and data-selective coupling elements 26 to 29, for example intelligent bridges linked to the data bus 5.
  • the coupling elements 26 to 29 transform the individual function chains 1 to n into local data transmission units, between which only individual status signals are transmitted.
  • the control command "start-up" first activates the function chain 1. Only when the function chain 1 is ready, does a corresponding status signal of the function chain 1 pass the control command on to the function chain 2 via the coupling element 27. In a corresponding manner, the function chain 3 is only activated when the function chains 1 and 2 are ready.
  • FIG. 2 shows a signal flow diagram of the automatic control of a block of a power plant with an overall process divided into six functional units.
  • the function chains 1 to 6 corresponding to the functional units are organized hierarchically in a logical order.
  • the individual function chains 1 to 6 are assigned the automation devices 8 which perform various functions in a common automation system, in accordance with the technological structure of the system.
  • function chain 2 comprises four subfunctions 7, also symbolized by arrows.
  • function chain 3 the required for the transport of process waste heat and the return transport of condensate
  • Such control interventions for example in the condenser of a water / steam circuit of a steam turbine consisting of several system parts, are carried out and monitored automatically.
  • the function chain 5 performs the functions required for a "conversion of primary energy into thermal energy".
  • the subsystems 9 of a gas turbine combustion chamber also shown schematically, are put into operation.
  • a control command triggered in the control unit 16 is forwarded to the individual function chains 1 to 6 via a block control unit 30. If the subsystems 9 assigned to the function chain 1 are put into operation, a control signal is transmitted from the function chain 1 to the function chain 2, which together with the control command pending on the function chain 2 sets the subsystems 9 of the function chain 2 in operation.
  • Function chains 3 to 6 are activated in succession in a corresponding manner. When the system is shut down, the function chains 6 to 1 are run through in reverse order and the corresponding process sections are deactivated one after the other.
  • the subsystems 9 of the individual function chains 1 to 6 can be controlled individually via the corresponding automation devices 8.
  • the control takes place in the control unit 16 by touching a screen 31 designed as a plasma display, which is arranged in a control panel 32. Feedback, status reports and fault messages are visualized on screens 33, which are also built into the control panel 32.
  • control panel 32 is designed in the shape of a circular arc, corresponding to a cockpit.

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Abstract

Die automatische Steuerung für eine Kraftwerksanlage mit mehreren, untereinander wechselwirkenden Anlagenteilen weist in einem den Anlagenteilen gemeinsamen Automatisierungssystem verschiedene Funktionen ausübende Automatisierungsgeräte (8) auf, wobei die Automatisierungsgeräte (8) miteinander und mit einer Leiteinheit (6) über einen Datenbus (5) verbunden sind, der anlagenrelevante Daten überträgt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Automatisierungsgeräte (8) entsprechend der technologischen Struktur der Anlage zu voneinander unabhängig funktionsfähigen Einheiten zusammengefaßt sind, wobei jede funktionsfähige Einheit einer Funktionskette (1 bis n) entspricht, die mehrere Teilfunktionen (7) umfaßt, und wobei jede Teilfunktion (7) mehrere Teilsysteme (9) mit steuerbaren Anlagenkomponenten (12, 13, 15) umfaßt.

Description

Automatische Steuerung für eine Kraftwerksanlage
Die Erfindung betrifft eine automatische Steuerung für eine Kraftwerksanlage mit mehreren, untereinander wechselwirken- den Anlagenteilen, . mit in einem den Anlagenteilen gemein- • sa en Automatisierungssystem verschiedene Funktionen aus¬ übenden Automatisierungsgeräten, wobei die Automatisie¬ rungsgeräte miteinander und mit einer Leiteinheit über einen Datenbus verbunden sind, der anlagenrelevante Daten überträgt.
Bei einer aus der EP-OS 0 242 609 bekannten Leittechnik für eine Kraftwerksanlage mit verschiedenen Aπlagenteilen wird eine Vielzahl von einzeln oder zusammenwirkend zu steuern- den und zu regelnden Funktionen durch ein gemeinsames Auto¬ matisierungssystem teil- oder vollautomatisch ausgeübt. Das Automatisierungssystem umfaßt eine Anzahl von Automati¬ sierungsgeräten, die über einen gemeinsamen Datenbus mit¬ einander und mit einer Leiteinheit kommunizieren. Die Auto- matisierungsgeräte können sowohl aus frei programmierbaren als auch aus speicherprogrammierten Prozessoren aufgebaut sein und steuern und überwachen jeweils mehrere Komponeπ- tengruppen oder Teilsysteme der einzelnen Anlagenteile.
Beim Betrieb einer Kraftwerksanlage werden über den Daten¬ bus große Datenmengen in Form von Steuerbefehlen und Zu- standsmeldungen sowie Störmeldungen bewegt, die in der Leiteinheit durch Steuereingriffe ausgelöst bzw. auf Bild¬ schirmen oder anderen Sichtgeräten sichtbar gemacht werden. Dabei sind, insbesondere bei Inbetriebnahme und beim Abfah¬ ren der Anlage, eine Vielzahl von Steuereingriffen erfor¬ derlich, die eine entsprechend große Anzahl von zu beob¬ achtenden Rückmeldungen zur Folge haben. Dies führt zu einer nicht unerheblichen Belastung für das Bedienpersonal. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine auto¬ matische Steuerung für eine Kraftwerksanlage anzugeben, die weitestgehend vereinfacht ist und in allen Betriebsphasen, also auch beim An- und Abfahren der Anlage, sowie im Fall einer Unregelmäßigkeit oder Störung des Prozeßablaufs eine sichere Führung und Überwachung der Anlage ohne Überlastung des Bedienpersonals gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Automatisierungsgeräte entsprechend der technologischen
Struktur der Anlage zu voneinander unabhängig funktionsfä¬ higen Einheiten zusammengefaßt sind, wobei jede funktions¬ fähige Einheit einer Funktionskette, entspricht, die mehre¬ re Teilfunktionen umfaßt, und wobei jede Teilfunktion eh- rere Teilsysteme mit steuerbaren Anlagenkomponenten umfaßt.
Die verschiedenen funktionsfähigen Einheiten, funktions¬ technisch realisiert durch die Funktionsketten, sind inner¬ halb logischer Prozeßabschnitte stattfindende Medien- und Energietransportabläufe zwischen prozeßtechnischen Halte¬ bzw. Umwandlungspunkten.
Die Funktionsketten sind zweckmäßigerweise während des An¬ fahrvorgangs und des Abfahrvorgangs der Anlage in einer vorgegebenen Reihenfolge verknüpft. Dabei kommunizieren die Automatisierungsgeräte der verschiedenen Funktionsket¬ ten miteinander, so daß prozeßtechnisch die einzelnen funktionsfähigen Einheiten erst bei Bereitstellung der übergeordneten Einheiten in Funktion gesetzt werden. In der Zwischenzeit - während des Betriebs der Anlage - sind die Funktionsketten einzeln ansteuerbar. Dazu sind die Funktionsketten vorteilhafterweise über Datenleitungen mit datenselektiv wirkenden Koppelelementen miteinander und mit dem Datenbus verknüpft. Innerhalb einer Funktionskette werden vorteilhafterweise nur für eine funktionsfähige Einheit relevante Daten über¬ tragen. Dazu sind die Teilfunktionen innerhalb- einer Funktionskette über eine gemeinsame Datenleitung verknüpft.
Der Gesamtprozeß der Anlage kann vorteilhafterweise von nur sechs Funktionsketten gesteuert werden. Diese sechs Funk¬ tionsketten sind entsprechend dem logischen Prozeßablauf der Anlage in folgender Reihenfolge hierarchisch organi- siert: Versorgung, Entsorgung, Transport von Prozeßabwärme und Rücktransport von Kondensat, Transport von Prozeßwärme, Umwandlung von Primärenergie in Wärmeenergie, sowie Umwand¬ lung der Wärmeenergie in elektrische Energie.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson¬ dere darin, daß durch eine Aufteilung des Gesamtprozesses einer Kraftwerksanlage in nur wenige, .logische Prozeßab¬ schnitte, die jeweils eine funktionsfähige Einheit darstel¬ len, und durch eine entsprechende Gliederung der dazu er- forderlichen Funktionen in Funktionsketten ein hoher Auto¬ matisierungsgrad mit einer extrem hohen Informationsver¬ dichtung auf nur wenige, zu beobachtende Zustanαsmeldungen erreicht wird. Dadurch kann der gesamte Prozeß einer Kraft¬ werksanlage in jeder Betriebsphase von nur einer Person gesteuert und überwacht werden.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden anhand einer Zeichnung Ausführungsbeispiele beschrieben; darin zeigt
Figur 1 die Automatisierungstruktur einer Kraftwerksanlage mit mehreren Funktionsketten, und
Figur 2 in einer schematischen Darstellung ein Signalflußbild einer automatischen Steuerung eines Kraftwerksprozesses mit sechs funktionsfähigen Einheiten. Figur 1 zeigt eine Anzahl von Funktionsketten 1 bis n, die über einen gemeinsamen Datenbus 5 miteinander und mit einer Leiteinheit 16 oder einer der Leiteinheit 16 zugeordneten Blocksteuerung, falls die Kraftwerksanlage über mehrere Blöcke verfügt, verbunden sind. Wie am Beispiel der Funk¬ tionskette 1 gezeigt, umfassen die einzelnen Funktions¬ ketten 1 bis n mehrere Teilfunktionen 7, die von z.B. zwei Automatisierungsgeräten 8 ausgeübt werden.
Jeder Teilfunktion 7 sind Teilsysteme 9 einzelner Anlagen¬ teile, z.B. eines Kessels, einer Turbinengruppe oder eines Kondensators zugeordnet. Ein Teilsystem 9 ist hier ein Flüssigkeitsbehälter 10, an den eine Leitung 11 mit einer Pumpe 12 und einem Ventil 13 angeschlossen ist. Dem Behäl- ter 10 kann über eine Leitung 14 mit einem Ventil 15 Flüs¬ sigkeit zugeführt werden. Die Teilfunktion 7 umfaßt in die¬ sem Teilsystem 9 die automatische Steuerung der Ventile 13 und 15 sowie der -Pumpe 12, symbolisiert durch die Steuer¬ signale a, b bzw. c, von teilweise zusammenwirkend zu regelnden und zu überwachenden Parametern f und p, die hier der Füllstand des Behälters 10 bzw. der Druck in der Lei¬ tung 11 sind.
Die Teilfunktionen 7 der Funktionskette 1 sind über eine Datenleitung oder einen Datenbus 20 durch Schnittstellen 21 miteinander verknüpft. Innerhalb der Fuktionskette 1 werden bevorzugt nur für eine zugehörige funktionsfähige Einheit relevante Daten übertragen.
Beim Anfahren der Anlage werden die funktionsfähigen Ein¬ heiten, repräsentiert durch die Funktionsketten 1 bis n, durch einen Steuerbefehl nacheinander in Funktion gesetzt und in Funktion gehalten. Dazu sind die den Funktions¬ ketten 1 bis n zugeordneten Automatisierungsgeräte 8 über Datenleitungen 25 und datenselektiv wirkende Koppelelemen¬ te 26 bis 29, z.B. intelligente Brücken, miteinander und mit dem Datenbus 5 verknüpft. Durch die Koppelelemente 26 bis 29 werden die einzelnen Funktionsketten 1 bis n zu lokalen Datenübertragungseinheiten, zwischen denen ledig¬ lich einzelne Zustandssignale übertragen werden.
Der Steuerbefehl "Anfahren" aktiviert zunächst die Funk¬ tionskette 1. Erst wenn die Funktionskette 1 in Bereit¬ stellung ist, gibt ein entsprechendes Zustandssignal der Funktionskette 1 den Steuerbefehl über das Koppelelement 27 an die Funktionskette 2 weiter. In entsprechender Weise wird die Funktionskette 3 erst beim Bereitstehen der Funk¬ tionsketten 1 und 2 aktiviert.
Figur 2 zeigt ein Signalflußbild der automatischen Steue- rung eines Blocks einer Kraftwerksanlage mit einem in sechs funktionsfähige Einheiten unterteilten Gesamtprozeß. Die den funktionsfähigen Einheiten entsprechenden Funktions¬ ketten 1 bis 6 sind in einer logischen Reihenfolge hierar¬ chisch organisiert. Dabei sind den einzelnen Funktionsket- ten 1 bis 6 die in einem gemeinsamen Automatisierungssystem verschiedene Funktionen ausübenden Automatisierungsgeräte 8, entsprechend der technologischen Struktur der Anlage, zugeordnet.
In der Funktions'kette 1, die den Funktionsketten 2 bis 5 vorgeschaltet oder übergeordnet ist, werden z.B. fünf, durch Pfeile symbolisierte Teilfunktioπen 7 ausgeübt, die die Gesamtzahl der für die "Versorgung" der Anlage rele¬ vanten Aufgaben übernehmen.
In der Funktionskette 2 werden die für die "Entsorgung" der Anlage relevanten Funktionen ausgeübt. Die Funktions¬ kette 2 umfaßt vier Teilfunktionen 7, ebenfalls durch Pfeile symbolisiert.
In der Funktionskette 3 werden die für den Transport von Prozeßabwärme und den Rücktransport von Kondensat erfor- derlichen Steuereingriffe, z.B. im Kondensator eines aus mehreren Anlagenteilen bestehenden Wasser-Dampf-Kreis¬ laufs einer Dampfturbine, automatisch durchgeführt und überwacht.
In der Funktionskette 4 werden die erforderlichen Steuer¬ eingriffe für einen störungsfreien "Transport von Proze߬ wärme" im schematisch dargestellten Wasser-Dampf-Kreislauf durchgeführt.
Die Funktionskette 5 führt die für eine "Umwandlung von Primärenergie in Wärmeenergie" erforderlichen Funktionen aus. Dabei werden z.B. die Teilsysteme 9 einer Gasturbinen¬ brennkammer, ebenfalls schematisch dargestellt, in Fuπk- tion gesetzt.
Mit der Funktionskette 6 werden die Teilsysteme 9 von An¬ lagenteilen zur "Umwandlung der Wärmeenergie in elektrische Energie", z.B. einzelne Stellglieder eines Generators G, in Funktion gesetzt.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 sind die Datenleitun¬ gen 5 und 25 aus Figur 1 durch Signalleitungen 5' bzw. 2 ' symbolisiert.
Bei Inbetriebnahme der Anlage wird ein in der Leiteinheit 16 ausgelöster Steuerbefehl über eine Blocksteuereinheit 30 an die einzelnen Funktionsketten 1 bis 6 weitergeleitet. Sind die der Funktionskette 1 zugeordneten Teilsysteme 9 in Funktion gesetzt, wird von der Funktionskette 1 an die Funktionskette 2 ein Steuersignal übertragen, das zusammen mit dem an der Funktionskette 2 anstehenαen Steuerbefehl die Teilsysteme 9 der Funktionskette 2 in Funktion setzt. In entsprechender Weise werden die Funktionsketten 3 bis 6 nacheinander aktiviert. Beim Abfahren der Anlage werden in umgekehrter Reihenfolge die Funktionsketten 6 bis 1 durchlaufen und die entspre¬ chenden Prozeßabschnitte nacheinander außer Funktion ge¬ setzt.
Im Normalbetrieb der Anlage können die Teilsysteme 9 der einzelnen Funktionsketten 1 bis 6 über die entsprechenden Automatisierungsgeräte 8 einzeln angesteuert werden. Die Steuerung erfolgt in der Leiteinheit 16 durch Berührung eines als Plasmadisplay ausgebildeten Bildschirms 31, der in einem Steuerpult 32 angeordnet ist. Rückmeldungen, Zu- standsmeldungen und Störmeldungen werden auf Bildschirmen 33 visualisiert, die ebenfalls in das Steuerpult 32 ein¬ gebaut sind.
Der in einer Kraftwerksanlage ablaufende Gesamtprozeß kann in allen Betriebsphasen von nur einer Person gesteuert und überwacht werden. Daher ist das Steuerpult 32, entsprechend einem Cockpit, kreisbogenförmig ausgebildet.

Claims

Patentansprüche
1. Automatische Steuerung für eine Kraftwerksanlage mit mehreren, untereinander wechselwirkenden Anlagenteilen, mit in einem den Anlagenteilen gemeinsamen Automatisie¬ rungssystem verschiedene Funktionen ausübenden Automati¬ sierungsgeräten (8), wobei die Automatisierungsgeräte (8) miteinander und mit einer.Leiteinheit (6) über einen Da¬ tenbus (5) verbunden sind, der anlagenrelevante Daten überträgt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß "die Automatisierungsgeräte (8) entsprechend der tech¬ nologischen Struktur der Anlage zu voneinander unabhängig funktionsfähigen Einheiten zusammengefaßt sind, wobei.jede funktionsfähige Einheit einer Funktionskette (1 bis n) entspricht, die mehrere Teilfunktionen (7) umfaßt, und wobei jede Teilfunktion (7) mehrere Teilsysteme (9) mit steuerbaren Anlagenkomponenten (12, 13, 15) umfaßt.
2. Automatische Steuerung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,- - daß die Funktionsketten (1 bis n) während des Anfahr¬ vorgangs und des Abfahrvorgangs der Anlage in einer vorgegebenen Reihenfolge verknüpft sind, und - daß die Funktionsketten (1 bis n) in der Zwischenzeit - während des Betriebs der Anlage - einzeln ansteuerbar sind.
3. Automatische Steuerung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Funktionsketten (1 bis n) über Datenleitungen (25) mit datenselektiv wirkenden Koppelelementen (26 bis 29) mit¬ einander und mit dem Datenbus (5) verknüpft sind.
4. Automatische Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Teilfunktionen (7) einer Funktionskette (1 bis 6) über eine gemeinsame Datenleitung (20) verknüpft sind, die nur für eine funktionsfähige Einheit relevante Daten überträgt.
5. Automatische Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Funktionsketten (1 bis 6) entsprechend dem logischen Pro¬ zeßablauf der Anlage in der Reihenfolge: a) Versorgung, b) Entsorgung, c) Transport von Prozeßabwärme und Rücktransport von Kondensat, d) Transport von Prozeßwärme, e) Umwandlung von Primärenergie in Wärmeenergie, f) Umwandlung der Wärmeenergie in elektrische Energie hierarchisch organisiert sind.
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