Aktuální vydání

celé číslo

04

2024

Průmyslové roboty a automatizace výrobních a montážních linek

celé číslo

Alstom zavádí Ethernet Powerlink při řízení elektráren

Řídicí systém Alstom ALSPA Controplant je navržen pro energetiku, která vyžaduje systémy s nejvyšší spolehlivostí a dostupností. Společnost Alstom se rozhodla pro novou, vysoce distribuovanou strukturu řídicího systému, a to znamená, že se ústřední částí systému stává síť. Vedle sběrnice Modbus TCP si pro komunikaci v této síti společnost Alstom vybrala také Ethernet Powerlink. Před úplným přechodem na Ethernet Powerlink bylo nutné integrovat některé nové vlastnosti. Z nich nejdůležitější je redundance, kterou Alstom zavádí jako standard. Díky ní je možné v deterministické síti dosáhnout úrovně spolehlivosti potřebné pro řízení a regulaci procesů elektrárny.
 
Sítě pro řízení podniku i sítě zařízení využívají Ethernet již mnoho let. Pokud jako průmyslová komunikační sběrnice bude používán Ethernet Powerlink, bude celá architektura sítě založena na osvědčených a standardizovaných ethernetových řešeních. Síť vybudovaná výhradně na Ethernetu má četné výhody, mezi něž patří standardizace síťových zařízení a protokolů, snížení nákladů, zjednodušená údržba, vysoký výkon a zmenšení rizik při zastarávání (samostatných) nezávislých řešení.
 

Alstom a EMB

Alstom je vedoucí světová společnost v dodávkách zařízení a služeb pro výrobu energie a železniční dopravu. Co se týče výroby energie, je Alstom lídrem v oboru integrovaných elektráren a systémů řízení kvality vzduchu. Na celosvětové výrobě energie se společnost podílí 27 % a využívá všechny zdroje energie (plyn, uhlí, jádro i obnovitelné zdroje). Společnost Alstom Power tvoří pět divizí: divize pro elektrárny, turbosoustrojí, energetické systémy, systémy pro životní prostředí, hydroelektrárny. Zcela nová je divize pro řízení v energetice (Energy Management Business, EMB). Řízení v energetice zvyšuje efektivitu celé energetické infrastruktury, od dodávky paliva až po výrobu a spotřebu elektřiny. Divize EMB doplňuje šíři aktivit společnosti Alstom a je činná v souladu s její strategií výroby čisté energie i se strategií integrovaného řízení, Plant IntegratorTM. Pozice společnosti Alstom v oboru výroby čisté energie bude v současnosti ještě posilovat vzhledem k tomu, že jsou do konvenčních elektráren zaváděny nové postupy sledování a řízení kvality vzduchu v reálném čase a staví se také nové, čisté uhelné elektrárny, které lze vybavit systémy zachytávání a ukládání uhlíku. S rozvojem obchodování s emisními povolenkami bude řízení elektráren vyžadovat pružnou integraci s registry skleníkových plynů a s trhy s emisními povolenkami.
 
Řízení v energetice se zaměřuje na tyto čtyři klíčové technické oblasti:
  • decentralizované řídicí systémy elektráren, řízení a vybavení strojů,
  • řízení elektráren včetně optimalizace elektráren i dispečinků, sledování stavu prostředků a simulace,
  • navrhování připojení k rozvodné síti a podřízených stanic včetně izolovaných sfázovaných přípojnicových rozvodů,
  • výkonová elektronika včetně buzení, automatické regulace napětí a reaktivní řízení.
Divize EMB nabízí převratná řešení pro použití v řízení energetiky, která vedou k optimální energetické účinnosti v celém hodnotovém řetězci energetiky, např. v těchto oblastech:
  • zvýšení účinnosti elektráren prostřednictvím efektivního řešení automatizace a řízení a také s využitím nových sad aplikačního softwaru pro správu elektráren, které zahrnují plánování, správu prostředků elektrárny i simulaci v reálném čase,
  • dostupnost elektrárny, vedoucí k lepší provozní flexibilitě, tedy schopnosti dodávat do sítě v pravý čas správné množství energie, což znamená i několikrát denně zvýšit a snížit výkon,
  • kvalita, umožňující dodávat požadovanou kvalitu energie, ať již s ohledem na frekvenci sítě (aktivní) nebo řízení napětí (reaktivní).
V rámci programu EMB vyvinula společnost Alstom úplnou řadu výrobků pro řídicí systémy nazvanou ALSPA. Decentralizovaný řídicí systém Alstom ALSPA Controplant je určen pro obor výroby energie.
 

ALSPA

Systém ALSPA s flexibilní a otevřenou distribuovanou architekturou je založen na specifických hardwarových komponentách a standardních komunikačních sítích. Výrobky ALSPA podporují základní funkce provozu elektráren tím, že poskytují vícenásobné zabezpečení a funkce pro zajištění dostupnosti. Mezi ně patří autodiagnostika, redundance řídicích jednotek i komunikačních linek, synchronizace a označování časovým razítkem až po 1 ms, odolnost proti chybám a pokračování samostatného provozu při poruše či odpojení dispečinku. Výrobky ALSPA lze používat pro distribuované řídicí systémy (tepelných, vodních, jaderných i jiných elektráren) a pro řízení strojů. Pro řízení strojů nabízí systém ALSPA tyto řídicí prvky:
  • řídicí jednotka ALSPA,
  • systém řízení a ochrany kotlů a systém řízení spalování Controflame,
  • řídicí jednotka Controsteam pro parní turbíny,
  • řídicí jednotka Controgas pro plynové turbíny,
  • řídicí jednotka Controgen pro generátory, automatický regulátor napětí a automatický regulátor napětí s buzením určený k regulaci buzení střídavého generátoru.
Řídicí systém je postaven na bázi těchto tří hlavních součástí:
  • dispečink HMI s příslušným hardwarem a softwarem,
  • inženýrský nástroj pro konzistentní projektování celé elektrárny včetně distribuovaného řídicího systému, řízení strojů a simulátoru, to vše s jediným vstupním bodem a jedinečnou databází,
  • automatizační buňky zajišťující řízení a ochranu, zapojené do procesu; tyto multifunkční řídicí jednotky a provozní řídicí jednotky poskytují mnoho výhod: např. menší množství kabelů, odolnost proti výpadkům a snadné rozšiřování systému.
Všechny uvedené prvky jsou zapojeny do rychlé ethernetové sítě (obr. 1).
 

Úrovně sítí v systému ALSPA

Podniková síť většinou bývá umístěna v dispečinku a není příliš omezována požadavky průmyslu. Převážně bývá založena na spínané síti Fast Ethernet.
 
Síť zařízení propojuje tři úrovně decentralizovaného systému řízení. Vychází z osvědčených řešení průmyslového Ethernetu. kruhová topologie odolná proti výpadkům zajišťuje vysokou dostupnost. Determinismus zde není, protože tu je standardní Ethernet který využívá protokol IP (TCP/IP a UDP/IP). Síť zařízení pracuje s rychlostí 100 Mb/s nebo 1 Gb/s a je postavena na optických vláknech nebo měděných vodičích.
 
Provozní sítě jsou umístěny na provozní úrovni a jsou na ně kladeny velké požadavky. Zařízení připojená k provozním sítím zpravidla nevyžadují velkou dostupnost, proto musí být redundantní a musí být připojena prostřednictvím sítě s velkou dostupností (obr. 2).
 

Vývoj provozních sítí směrem k Ethernetu

Nové projekty pro trh s energiemi vyžadují vyšší výkony i u provozních sítí. Z nutnosti splnit tyto nové požadavky vyplynula potřeba nového řešení, jež bude založeno na vysokorychlostním Ethernetu. Z nabídky řešení průmyslového Ethernetu si musela společnost Alstom vybrat dvě varianty, jednu bez jakýchkoliv požadavků na deterministické chování a druhou s vysokými požadavky na deterministický chod v reálném čase.
 
Po intenzivním hledání řešení pro nedeterministickou provozní síť se společnost Alstom rozhodla pro protokol Modbus TCP, který byl vybrán pro jeho širokou otevřenost vzhledem k zařízením jiných výrobců.
 
Naproti tomu provozní sítě s deterministickým chováním v reálném čase umožňují zavést distribuované vstupy a výstupy. Proto je přínosem sítí Ethernet pracujících v reálném čase zjednodušená architektura, koncentrace regulačních procesů v jednotlivých řídicích jednotkách a nižší náklady na instalaci, údržbu a projektování. Díky využívání deterministických sítí pracujících v reálném čase je možné prostřednictvím vlastní sítě také provádět synchronizaci a označovat data časovým razítkem. Synchronizační údaje a signály již není třeba řídicím jednotkám posílat po samostatném externím vodiči.
 

Ethernet Powerlink pro deterministickou síť v reálném čase

Při výběru nedeterministické sítě byla volba snadná a přirozená, ale výběr deterministické sítě pracující přísně v reálném čase byl o něco složitější. Byla provedena rozsáhlá studie dostupných řešení pro práci v reálném čase. Řešení mělo splňovat tyto požadavky:
  • otevřený a nezávislý standard, vycházející ze standardních součástek,
  • standardní řešení se silnou pozicí na trhu,
  • používání standardních zařízení a součástek pro snížení nákladů,
  • základem systému je standardní Ethernet,
  • umožňují celosvětový vývoj síťových řešení,
  • univerzální řešení, ze kterého vycházejí všechny současné i nové protokoly,
  • nevyžaduje speciální hardware,
  • osvědčený a robustní systém s dostupným a výkonným bezpečnostním protokolem (až SIL 3),
  • řídicí systém elektrárny těžící z osvědčeného řešení postaveného na odolném protokolu,
  • vysoce deterministický výkon a práce sítě v reálném čase,
  • rychlost 100 Mb/s,
  • možnost rychlých cyklů v rozsahu milisekund pro deterministickou výměnu dat.
Hlavním kritériem byla dlouhodobá dostupnost a životnost zvoleného řešení, protože elektrárny jsou v provozu po desetiletí. Nejbezpečnější cestou k dosažení tohoto cíle byla volba standardního řešení pracujícího se standardním hardwarem. Rovněž nebylo vhodné zvolit řešení, které by vedlo k závislosti na jediném dodavateli nebo na technice, která by během první dekády zastarala.
 
Po dlouhém rozhodování, simulaci a vytváření prototypů byl pro provozní deterministickou síť řídicího systému vybrán protokol Ethernet Powerlink.
 

Nová architektura

Díky implementaci systému Ethernet Powerlink do provozní sítě je celková architektura sítě systému založena výhradně na osvědčených a standardních ethernetových řešeních (obr. 3). Tato jedinečná, zcela ethernetová struktura sítě má několik výhod. Především umožňuje uživatelům standardizovat zařízení a protokoly sítě (TCP&UDP/IP). Dále, ačkoliv je sama síť někdy dražší pro vynaložené náklady na aktivní zařízení sítě (přepínače a rozbočovače), celkové náklady jsou nižší díky decentralizované architektuře, standardním zařízením a protokolům, omezení kabeláže (pouze Ethernet, sběrnicová topologie) a díky synchronizaci zařízení v síti. Ryze ethernetová síť rovněž usnadňuje obsluhu a údržbu, a výkon je tím vyšší. Využívání standardních ethernetových řešení navíc umožní těžit z budoucího vývoje Ethernetu bez dalších nákladů na výzkum a vývoj, protože do výzkumu a vývoje investuje celá ethernetová komunita.
 
Ethernet Powerlink je čistě softwarové řešení založené na standardních součástkách pro Ethernet. Jeho velkou předností je úplná kompatibilita se standardními ethernetovými zařízeními. Další výhodou je, že umožňuje pro připojení vzdálených zařízení používat kabely s optickými vlákny s dosahem až několik kilometrů. Obrovským přínosem optické komunikace je i možnost provozovat sítě v oblastech s elektromagnetickým rušením.
 

Vývoj systému Ethernet Powerlink u společnosti Alstom: vysoká dostupnost

Společnost Alstom přispěla k vývoji systému Ethernet Powerlink zařazením funkce vysoké dostupnosti. Díky otevřenosti skupiny Ethernet Powerlink Standardisation Group (EPSG) může sdílet své dlouhodobé zkušenosti s vysoce dostupnými řídicími systémy v rámci EPSG. Byla ustavena pracovní skupina nazvaná Vysoká dostupnost, vedená pracovníky společnosti Alstom, jejímž cílem je zavést funkce pro vysokou dostupnost. Jedním z nejdůležitějších požadavků bylo vyhnout se změnám současné specifikace Ethernet Powerlink a zachovat plnou kompatibilitu s existujícími zařízeními. Pracovní skupina tohoto cíle dosáhla a představila funkce vysoké dostupnosti jako doplněk k nynějšímu standardu Ethernet Powerlink.
 
Proto společnost Alstom dokáže implementovat síť Ethernet Powerlink se stupněm dostupnosti potřebným k řízení procesů v elektrárnách. Kritické úlohy je nutné zajistit tak, aby se zabránilo výpadkům při selhání řídicího hardwaru nebo poškození kabeláže. Nastane-li porucha jednoho průmyslového počítače s řídicími funkcemi, druhý počítač musí tuto okolnost okamžitě zjistit, převzít úkoly porouchaného počítače a zabránit tak nebezpečným provozním výpadkům. Redundantní kabeláž zavedená společností Alstom usnadňuje nalezení místa poruchy a zabraňuje ztrátám dat (beze ztráty cyklu, nulová doba rekonfigurace).
 
Funkce vysoké dostupnosti systému Ethernet Powerlink byla ověřena nejmodernější metodou ověření na modelech [1]. Po sestavení všech modelů a dokončení vývojových prací přešla společnost Alstom do fáze intenzivní simulace pro potvrzení výpočtů. Simulace byla další příležitostí k otestování funkcí systému v mnoha kritických situacích. Systém byl zaveden do provozu po dlouhém a intenzivním ověřování, jehož výsledky potvrdily jeho vysokou dostupnost.
 

Závěr

Integrací systému Ethernet Powerlink do provozních sítí prokázala společnost Alstom výhody použití Ethernetu v řídicích systémech v energetice. Společnost Alstom věří, že se standard Ethernet Powerlink prosadí, a je velmi spokojena s jeho vlastnostmi – splňuje totiž všechny požadavky na kvalitu nutné k úspěšnému řízení kritických procesů.
 
Nedávno ohlášené rozhodnutí uvolnitzdrojový kód Ethernet Powerlink s přístupným zdrojovým kódem – open-source (openPowerlink) – vede společnost Alstom k přesvědčení, že toto řešení budou přijímat stále další nezávislí výrobci zařízení.
 
Značně distribuovaná architektura řídicího systému staví síť do pozice jeho ústředního prvku. Proto je využívání výkonné sítě Ethernet, postavené na standardních ethernetových zařízeních, zásadním krokem. Kromě toho společnost Alstom nabízí systém, který je standardní, osvědčený a spolehlivý.
 
Vylepšováním tohoto technického řešení získala společnost Alstom další zkušenosti a v případě potřeby může prosadit pokračování vývoje. Z výsledků tohoto vývoje profituje celá komunita, protože nové funkce jsou standardizovány skupinou EPSG a jsou otevřené pro každého. Využívání Ethernetu není pouze výhodným technickým řešením v současnosti, je také investicí do budoucnosti.
 
Literatura:
[1] LIMAL, S. – POTIER, S. – DENIS, B. – LESAGE, J.-J.: Formal verification of redundant media extension of Ethernet Powerlink.
 
Stéphane Potier, Emma Cameronová,
Alstom Power, Massy (Francie)
 
Obr. 1. Kombinovaná elektrárna – příklad architektury
Obr. 2. Redundantní automatizační buňka
Obr. 3. Síťová architektura ALSPA