Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Modernizace vodárenské infrastruktury: snadno a spolehlivě se Simatic PCS 7

To nejdůležitější, co pojí firmu Wassergewinnung Essen s jejími zákazníky, je jistota do­dávky. O to, aby žádný z přibližně milionu zákazníků firmy nezůstal při výpadku napětí v elektrorozvodné síti bez pitné vody, se nyní stará komplexní automatizovaný systém pro řízení vysokonapěťových zařízení a nouzových záložních napájecích zdrojů realizo­vaný s použitím řídicího systému Simatic PCS 7.

 
Firma Wassergewinnung Essen GmbH (WGE) je společným dceřiným podnikem dvou společností komunálních služeb, Gelsenwasser AG a Stadtwerke Essen AG. Její založení v roce 2002 bylo důsledkem znepo­kojivého poklesu vydatnosti vodních zdrojů v regionu. Řešením se ukázala být podstat­ná modernizace dosavadní vodárenské in­frastruktury. Navíc zde nastaly legislativní změny v oblasti investic.
 
Stěžejní částí realizovaných zdokonalení byla modernizace soustavy nouzových zálož­ních zdrojů elektrické energie v provozovně Essen-Horst (obr. 1). Firma WGE dodává pit­nou vodu celkem přibližně jednomu milionu obyvatel v městské aglomeraci tvořené městy Essen, Gelsenkirchen a Bochum a jejich blíz­kému okolí, a má-li být dodávka vody spoleh­livá, musí být zajištěn stálý přísun elektric­ké energie, která je nezbytná k provozová­ní čerpacích stanic a úpraven vody. Z tohoto důvodu má provozovna Essen-Horst vlast­ní záložní zdroje nízkého i vysokého napě­tí s dieselgenerátorovými soustrojími, zajiš­ťující nouzovou dodávku elektrické energie.
 
Původní vysokonapěťové zařízení však již bylo zastaralé a bylo třeba jej vyměnit. Nešlo přitom jen o to, zamezit neočekávaným po­ruchám. Společnost WGE chtěla současně splnit požadavky plynoucí ze zvolené síťové koncepce. Ta žádá, aby nová technika bez problémů „zapadla“ do existujícího celkové­ho systému řízení a sledování vodárenské sítě.
 

Komplexní dodávka včetně generátorového soustrojí

Při výběru dodavatelů bylo pro odpověd­né pracovníky ve firmě WGE důležité, aby vybrané subjekty byly předem co nejdůklad­něji obeznámeny s místními podmínkami v čerpací stanici Horst. Na doporučení firmy Gelsenwasser AG byla jako generální doda­vatel modernizačního projektu vybrána in­ženýrská Společnost Wetzel + Partner mbH (IWP), sídlící v Moers. Firma IWP od své­ho vzniku v roce 1957 navrhla a zrealizova­la asi 1 500 projektů v oblasti úpraven vod, studní a zřídel, čistíren odpadních vod, ná­drží, čerpacích stanic a potrubních tras. Je tedy považována za zkušeného poskytovate­le inženýrských služeb v oboru vodního hospodářství. Pro své zákazníky firma provádí základní a následně detailní analýzy, zpra­covává projekty zařízení ve všech oblastech a oborech souvisejících s daným investičním záměrem, sestavuje podklady pro veřejné nabídkové řízení, vykonává stavební dozor a dohlíží na správnost fakturace. Vedle ob­vyklých činností inženýrské firmy týkajících se vodního hospodářství firma IWP řeší také projekty v oborech výroby a přenosu elek­trické energie a zvyšování energetické hos­podárnosti budov.
 
Pokud jde o řídicí techniku, rozhodnutí, že nová dieselge­nerátorová soustrojí budou au­tomatizována při použití systé­mu Simatic PCS 7 od společ­nosti Siemens a že do řídicího systému bude začleněno i veš­keré vysokonapěťové zařízení, bylo přijato již v rané fázi pro­jektu. Detlef Stein, zodpovědný za techniku pro řízení technolo­gických procesů u firmy WGE, to zdůvodňuje: „Systém PCS 7 je u nás jako řídicí systém již zaveden a naši pracovníci jej velmi dobře znají. Bylo tedy rozumné jej použít také jako řídicí systém jednotlivých generátoro­vých soustrojí.“ Vedle pokročilé znalosti systému je podle Det­lefa Steina pro firmu WGE také důležité, že použitá technika má dobrou pozici na trhu: „V první řadě chceme být schopni rychle řešit případné problémy vlastní­mi silami – což nám umožní za­chovat si samostatnost a zajis­tit vysokou úroveň dostupnos­ti našich zařízení. Současně je pro nás výhodná velká volnost při výběru dodavatelů servis­ních služeb.“
 
Jeden z hlavních požadav­ků při integraci záložních zdro­jů energie a vysokonapěťového zařízení zněl, že všechny tyto technologické sestavy by měly být připojeny přímo k systému PCS 7, bez jakýchkoliv mezi­lehlých řídicích jednotek, a to včetně samotných generáto­rů. Tento úkol byl pro techniky ze společnosti Siemens, kteří systém zaváděli, určitým oříš­kem, neboť dieselgenerátory pro nouzové napájení mají zpravi­dla vlastní vnitřní řízení. Navíc bylo požadováno, aby veške­ré řídicí funkce byly realizovány výhradně při použití standardní knihovny programů Simatic PCS 7 Standard Advanced Process Library (APL). Takto vysokou úro­veň standardních funkčních schopností firma zvolila proto, že je velmi důležitá jednotnost programového vybavení (obr. 2). Čerpací sta­nice Horst je mimo pracovní dobu provozo­vána bez přítomnosti obsluhy, na dálku, tak­že je důležité, aby řídicí systémy byly napro­sto kompatibilní. Použití standardní knihovny APL navíc usnadňuje modernizaci systému a jeho inženýrink. Při jakýchkoliv změnách v systému PCS 7 je knihovna společností Sie­mens automaticky aktualizována. Je tedy jis­té, že zákazník využívá vždy nejnovější verzi systému. „Z tohoto důvodu nyní u všech no­vých projektů požadujeme výhradně použití knihovny APL,“ říká Detlef Stein.
 
Společnost Siemens podle zadání pro nouzové napájení jímacího zařízení surové vody v lokalitě Überruhr-Horst vyprojektovala dva záložní vysokonapěťové zdroje (Medium-Voltage Emergency Power System – MVEPS), každý se jmenovitým výkonem 2 MW (obr. 3). Celý aplikační software byl vytvořen v systému PCS 7 V7.1 SP2 při po­užití knihovny APL V5. Veškeré funkce sys­tému, tj. regulace, ovládání ventilů, ovládá­ní čerpadel a další, byly realizovány při po­užití standardních funkčních bloků systému PCS 7. Přínosem pro uživatele či operáto­ra je v takovém případě zcela transparentní struktura softwaru, umožňující obsluze rych­le zjistit příčiny poruch nebo potíží. S pou­žitím systému PCS 7 byla dále realizována kompletní soustava chlazení dieselgenerá­toru se třemi chladicími okruhy zásobova­nými vodou z rozvodu pitné vody. Jednot­ky MVEPS lze spouštět a provozovat paralelně s dodávkou energie z elektrorozvodné sítě, v režimech samostatného (ostrovního) provozu a paralelního provozu obou jedno­tek a zkušebního provozu. Operace spuště­ní a zastavení probíhají jako sekvence kroků podle programu v jazyce SFC. Totéž platí pro veškeré spínací operace v celé provozovně. Obě jednotky MVEPS jsou připoje­ny k systému Simatic PCS 7, přičemž distribuované vzdálené jednotky I/O jsou připojeny prostřednictvím sběrnice Profibus. Automatizační systémy spolu komunikují pomocí průmyslo­vého Ethernetu.
 
Na bázi Simatic PCS 7 je realizován i systém vyšší úrov­ně řízení nad vysokonapěťo­vými zařízeními. Za tím úče­lem společnost Siemens přidala do systému PCS 7 ethernetové přepínače (switche) ESM. Při modernizaci byla všechna 10kV rozvodná zařízení v čerpací stanici Horst zrenovována a vybavena ochranami ze skupiny Siprotec. Spínací přístroje v připojené úpravně vody Überruhr byly nahrazeny novými spínací­mi přístroji Sivacon, včetně ochran Siprotec (obr. 4). Dále bylo ochranami Siprotec vyba­veno také několik rozvodných zařízení v čer­pací stanici 1 Westfalenstraße. Přes distribuo­vané periferní jednotky řady Simatic ET 200 byly do systému PCS 7 zavedeny i zpětno­vazební signály ze současných rozvodných zařízení. Nový systém PCS 7 sleduje vyso­konapěťové zařízení a při výpadku dodáv­ky energie z elektrorozvodné sítě automaticky spouští 10kV záložní napájecí zdroj. V závislosti na povaze a průběhu výpadku se použijí různé varianty spouštění. Díky in­tegraci veškerých komponent do původního řídicího systému se obsluha ve všem velmi snadno orientuje. Firma byla schopna využít dosavadní infrastrukturu PCS 7 a nemusela budovat nový nebo paralelní řídicí systém. Integrace je přínosná také tím, že k obsluze celého provozu nadále postačuje již existující multiklientský systém PCS 7 s architekturou klient-server bez dalších požadavků na ope­rátorské zařízení a prostor (obr. 5). Do kon­figurace systému PCS 7 lze při použití stan­dardního softwaru snadno začlenit také tex­tová hlášení z ochran Siprotec.
 

Hladký průběh modernizace a dobré první zkušenosti

Zařízení jako celek bylo uvedeno do pro­vozu v polovině roku 2011 asi po třech le­tech výstavby. Zákazník byl s dodávkou velmi spokojen. Náklady na projekt nepřekro­čily výchozí rozpočet a zaří­zení pracují bez poruch a ne­dostatků. Gregor Langenberg, ředitel společnosti WGE, ze­jména zdůrazňuje svou dobrou zkušenost s týmem pracovníků společnosti Siemens zúčastně­ných na projektu: „S přísluš­nými pracovníky společnosti Siemens jsme spolupracovali po delší dobu. Tím pádem tým společnosti Siemens poznal vel­mi dobře nejen náš závod, ale i naše potřeby, což zcela zjev­ně zjednodušilo postup práce na projektu.“ Nové uspořádání má i vynikají­cí technickou úroveň. „Přínosy standardizace, které jsme očekávali, se projevují i v každo­denním provozu,“ poznamenává Detlef Stein. Rozhodnutí ve prospěch společností Wetzel + Partner a Siemens umožnilo dostat soustavu pro zásobování rozsáhlé městské aglomerace pitnou vodou na bázi, kterou lze hospodárně udržovat i rozvíjet podle budoucích potřeb.
(Siemens, s. r. o.; foto: Siemens AG)
 
 
Obr. 1. Nouzový záložní zdroj vysokého napětí, pro který byla v provozovně Essen-Horst postavena zvláštní budova, vyprojektovala a dodala ji podle objednávky od Wasser­gewinnung Essen (WGE) firma Wetzel + Partner (IWP)
Obr. 2. Nouzový záložní zdroj vysokého napětí je kompletně začleněn do původního systému řízení realizovaného s použi­tím systému pro řízení technologických procesů Simatic PCS 7
Obr. 3. Jedno ze dvou dieselgenerátorových soustrojí za­jišťujících nouzovou dodávku elektrické energie pro nový záložní zdroj vysokého napětí; každá z jednotek má výkon 2 MW a obě jsou připojeny k řídicímu systému Simatic PCS 7
Obr. 4. Všechna 10kV rozvodná zařízení v čerpací stanici Horst byla v rámci projektu modernizace zrenovována a vy­bavena ochranami ze skupiny Siprotec s připojením k vyšší úrovní řízení přes ethernetové přepínače ESM doplněné do systému PCS 7
Obr. 5. Pracovníci v řídicím centru v provozovně Essen-Horst mají prostřednictvím multiklientských stanic původního systému Simatic PCS 7 neustále přístup ke všem údajům týkajícím se rozvodny a záložního zdroje napájení