Erschienen am: 18.09.2008, Ausgabe SPS-MAGAZIN 10 2008

Automatisierte Heizkraftanlage
Wärme und Strom für Elite-Hochschule

Um den Universitäts-Campus sicher mit Wärme und Strom zu versorgen, wurde das Heizkraftwerk einer Elite-Hochschule umfassend runderneuert. Kernkomponenten der Automatisierung bilden fehlersichere Controller und ein redundantes Scada-System mit einer Software, die zur Prozessoptimierung ebenso wie für Forschung und Lehre Zugriff auf historische Daten bietet.

Autor: Dipl.-Inf. Carsten Schmidt, Siemens AG.


Bild 1: Herz des automatisierungstechnisch ­rund­erneuerten Heizkraftwerks der TU München sind zwei Heißwassererzeuger mit einer thermischen Leistung von je 17,5MW.
Seit Mitte der 1970er Jahre betreibt die Technische Universität München am Standort Garching ein Heizwerk. Im Jahre 1996 wurde das Heizwerk zum Heizkraftwerk erweitert und versorgt den Campus mit Wärme und Strom. Zwei Großwasserraumkessel mit jeweils 17,5MW thermischer Leistung und eine nach dem Cheng-Cycle-Prinzip arbeitende KWK-Anlage (Gasturbine) mit 6,5MW thermischer und bis zu 6MW elektrischer Leistung decken den Wärmebedarf der Elite-Universität in Garching und deren Grundbedarf an Strom. Damit hat die Verfügbarkeit der Kraftwerksanlagen höchste Priorität. Bei der Erstausstattung des Heizkraftwerks war es noch üblich, jeden Anlagenteil mit einer proprietären Steuerung auszurüsten. Diese konnte oft nur der Hersteller warten und softwaretechnisch pflegen. "Abgesehen von den steigenden Kosten dafür erwies sich die Beschaffung von Ersatzteilen und der technische Support als immer schwieriger", erklärt der Betriebsleiter des Heizkraftwerks, Dipl.-Ing. (FH) Martin Müller. "Dehalb entschieden wir uns für eine umfassende Modernisierung der Automatisierungstechnik. Um in ein paar Jahren nicht wieder mit denselben Problemen konfrontiert zu werden, stand von Anfang an nur eine standardisierte, durchgängige und zugleich offene Lösung zur Diskussion." Aus diesem Grund wurden in der Ausschreibung Steuerungen vom Typ Simatic S7-400 und das Scada-System Simatic WinCC von Siemens verwendet. Neben deren Zuverlässigkeit und der Langzeitverfügbarkeit von Ersatzteilen verspricht sich der Betreiber davon Flexibilität in der Umsetzung künftiger Erweiterungen und Optimierungen über den gesamten Lebenszyklus hinweg.

Durchgängige Lösung


Mit einem Gesamtkonzept, das durchgängig auf Automatisierungskomponenten von Siemens aufbaut, konnte die Firma a-on AG aus Neufahrn das Projekt für sich entscheiden. Mit derzeit 20 Mitarbeitern bietet das Unternehmen umfassende Lösungen für Automatisierungsaufgaben: von der Beratung und Planung über die Fertigung und Lieferung der gesamten Elektrotechnik sowie die Entwicklung und Erstellung von Software bis hin zur kompletten Installation und Inbetriebsetzung. Zu den Kunden zählen der Mittelstand, die produzierende Industrie sowie der Anlagenbau weltweit. Branchenschwerpunkte sind die Automobilindustrie, förder-, produktions- und verfahrenstechnische Anlagen, insbesondere in der Chemie- und Lebensmitteltechnik, bei Brauereien und Molkereien, außerdem Gebäudeautomation und Recyclinganlagen. Um die kontinuierliche Wärme- und Stromversorgung der Hochschul- und Forschungseinrichtungen der TU München zu gewährleisten, mussten schon während des Umbaus die Stillstandzeiten auf ein Minimum reduziert werden. Für die Zeit danach hatte der Auftraggeber die maximale Verfügbarkeit und Sicherheit der Anlage und die größtmögliche Prozesstransparenz festgeschrieben. Letztere ist wichtig, um Schwachstellen oder Probleme im laufenden Betrieb und ofline anhand aufgezeichneter Prozess- und Betriebsdaten zu erkennen und zu beheben. Dadurch soll die Versorgungssicherheit optimiert werden. Außerdem werden die Daten für Projekte in Forschung und Lehre benötigt, wie beispielsweise für Semester- und Diplomarbeiten. Für die Anlagenverfügbarkeit sorgt ein redundant aufgebauter Controller Simatic S7-400H (H für hochverfügbar) mit zwei Zentralbaugruppen CPU 416H. Diese sind über Lichtwellenleiter miteinander gekoppelt und gleichen sich in Sekundenbruchteilen ständig ab. So kann beim Ausfall der einen CPU jeweils die andere den gesamten Betrieb übernehmen, ohne dass die Energieversorgung unterbrochen wird oder Daten verloren gehen. Die Peripherie ist über teilweise redundant ausgeführte Profibus-Verbindungen mit Simatic-ET200M-Bau­gruppen bzw. direkt über Y-Link angebunden, darunter auch Sipart-Positionsregler für pneumatische Ventile sowie Leistungsmessgerät Simeas P des Siemens-Sektors Energy. Das Powermeter sorgt für die Visualisierung wichtiger Parameter der Netzpumpen. "Mit nahezu allen Komponenten aus einer Hand war von Anfang an ein optimales Zusammenwirken gewährleistet, und wir hatten es nur mit einem einzigen Ansprechpartner zu tun", sagt der leitende Planer und Vorstand der a-on AG, Dipl.-Ing. (FH) Gerhard Fichtl. "Die durchgängige Automatisierungstechnik erleichterte uns auch das Austesten der Funktionalitäten." So konnte der Systeminteg­rator seine teilweise neu entwickelten Regelstrategien (darunter 'Gleitendes Fahren' der Vorlauftemperatur) einfach umsetzen, um den Prozess energetisch zu optimieren. Manuelle Einstellungen waren nicht notwendig. Letztendlich wurde auf die Handbedienebene ganz verzichtet. Der redundanten Steuerung für die Druckhaltung ist u.a. ein fehlersicheres Interfacemodul IM151-7 F-CPU aus dem Simatic-ET200S-Pro­gramm unterlagert. Es verarbeitet sicherheitsrelevante Signale nach einer von a-on gemeinsam mit dem Betreiber und dem TÜV erarbeiteten Sicherheitsmatrix autark im Feld. Gerhard Fichtl erzählt: "Mit der SPS-basierten Sicherheitstechnik gestalten sich alle damit verbundenen Aufgaben im Vergleich zur konventionellen Hardwareverdrahtung einfacher und flexibler." Das rechne sich schon bei wenigen Änderungen während der Inbetriebnahme, die aufgrund der vielschichtigen Verknüpfungen sonst mit erheblichem Mehraufwand verbunden gewesen wäre. Die in Software abgebildete Sicherheitsmatrix erleichterte auch die Umsetzung der klassischen '2-von-3 Auswertung' von Sensoren, die z.B. den elementaren Netzdruck überwachen.

Redundante Vernetzung


Das Simatic-System, die S7-400H der KWK-Anlage und eine vorhandene S7-400 im Bereich der 20-kV-Mittelspannungsanlage sind über Ethernet-Kommunikationsprozessoren und Optical Switch Modules OSM TP62 aus dem Simatic-Net-Programm von Siemens an einen redundanten Ethernet-Lichtwellenleiterring angeschlossen. So gelangen die aktuellen Prozessdaten zu zwei Simatic Rack-PCs, die als zentrale WinCC-Server dienen. Auch diese gleichen ihren Datenbestand ständig untereinander ab und nutzen dazu die Funktionen des Optionspakets WinCC/Redundancy. Im gegenwärtigen Ausbaustand versorgen die Server vier im Heizkraftwerk anlagennah installierte Simatic Panel-PCs 577 mit 19"-Touchscreen. Deren Auflösung von 1.280x1.024 Bildpunkten sorgt für detaillierte grafische Darstellungen. Das trägt ebenfalls zur sicheren Betriebsführung bei. Diese spielt sich in erster Linie in der zentralen Leitwarte ab, wo drei weitere WinCC-Clients installiert sind. Einer davon teilt sich die Visualisierung mit einem parallel angeschlossenen Beamer, der das in vielen Anlagen dieser Art kategorische Blindschaltbild vollwertig ersetzt. Auch größere Besucher- oder Studentengruppen erhalten so einen transparenten Überblick über die Abläufe im Kraftwerk. Aufwendige Anpassungsarbeiten zur Aktualisierung der Hardwaremosaiks an Änderungen oder Erweiterung der Anlage entfallen. Die insgesamt mehr als 100 Bedienbilder stehen an allen WinCC-Clients zur Verfügung. Darüber hinaus wird die OPC-Schnittstelle von WinCC zur Abfrage und Visualisierung betriebsrelevanter Daten aus der Gebäudeleittechnik des Campus genutzt. Um auch (unverdichtete) historische Prozesswerte nach allen Regeln der Ingenieurskunst aus WinCC heraus verarbeiten und für unterschiedliche Zwecke aufbereiten zu können, wurde das Scada-System um das Optionspaket WinCC/DataMonitor erweitert. Mit dessen Tool 'Trends & Alarms' beispielsweise ließ sich noch vor Inbetriebnahme der modernisierten Kraftwerksanlagen die Feineinstellung mehrerer kritischer Regelkreise analysieren und optimieren.

Offen für Erweiterungen


Sowohl Betreiber als auch Systemintegrator sind nach den ersten 8.000 praktisch fehlerfreien Betriebsstunden der neuen Automatisierungslösung zufrieden. Das System integriert alle Gewerke und schafft die Voraussetzungen, schlummernde Optimierungspotenziale zu erkennen. Damit ist der erste Schritt zu einem ganzheitlichen 'Energy Controlling' für den Campus getan. Langfristig ist weiterhin im Gespräch, das Heizkraftwerk über einen dritten WinCC-Server mit der Option WinCC/WebNavigator auch für autorisierte Datenzugriffe aus der Ferne zugänglich zu machen. Dabei steht nicht die Bedienung im Vordergrund, sondern die Unterstützung der Forschung und Lehre, ohne den laufenden Betrieb zu beeinträchtigen.